KR20190068598A - Battery with low output voltage - Google Patents

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Abstract

본 발명은 주 애노드 활물질을 갖는 애노드, 캐소드, 및 이온-전도 전해질을 포함하는 전기화학 배터리 셀로서, 셀이 10% 방전 심도(DoD)에서 측정하는 경우의 0.3 볼트 내지 0.8 볼트 범위로부터 선택된 초기 출력 전압(Vi), 및 90% 이하의 DoD에서 측정하는 경우의 최종 출력 전압(Vf)을 가지며, 전압 변동((Vi-Vf)/Vi)이 ± 10% 이하이며, Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량이 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이며, 주 애노드 활물질이 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀에 관한 것이다.The present invention relates to an electrochemical battery cell comprising an anode, a cathode, and an ion-conducting electrolyte having a primary anode active material, the cell having an initial output selected from the range of 0.3 volts to 0.8 volts when the cell is measured at 10% (Vi-Vf) / Vi) is less than or equal to +/- 10%, and the cost between Vi and Vf is less than or equal to < RTI ID = 0.0 & (Na), potassium (K), magnesium (Mg), aluminum (Al), aluminum (Al), or the like, based on the weight or volume of the cathode active material, of 100 mAh / g or 200 mAh / ), Zinc (Zn), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), vanadium (V), cobalt (Co), nickel (Ni), mixtures thereof, To a selected, electrochemical battery cell.

Description

저출력 전압을 갖는 배터리Battery with low output voltage

관련 출원에 대한 상호 참조문헌Cross-references to Related Applications

본 출원은 2016년 10월 19일에 출원된 미국특허출원 제15/297,877호를 우선권으로 주장하며, 이러한 문헌은 본원에서 참고로 포함된다.This application claims priority from U.S. Patent Application No. 15 / 297,877, filed October 19, 2016, which is incorporated herein by reference.

발명의 분야Field of invention

본 발명은 일반적으로, 전기화학 배터리 분야, 및 보다 특히, 전압 조절기(예를 들어, 전압 감속기 또는 변압기)를 이용하지 않고 외부 회로에 0.3 볼트 내지 0.8 볼트의 출력 전압을 자연스럽게 공급하는 배터리에 관한 것이다.The present invention relates generally to a battery that naturally supplies an output voltage of 0.3 volts to 0.8 volts to an external circuit without using an electrochemical battery field, and more particularly a voltage regulator (e.g., a voltage reducer or a transformer) .

건강 모니터링 및 인공 지능 적용을 위한 "사물 인터넷(Internet-of-Things)" 및 차세대 센서 기술의 출현은 재충전 없이, 그리고 특히, 무선 장치, 웨어러블 장치 또는 이식 장치가 배터리를 교체하지 않고 유지 보수할 필요가 없도록 수십년 동안 지속되는 배터리의 이용 가능성을 요구한다.The emergence of "Internet-of-Things" and next-generation sensor technology for health monitoring and artificial intelligence applications requires no recharging, and in particular, maintenance of wireless devices, wearable devices or implantable devices without replacing batteries The availability of batteries that last for decades.

일 예로서 센서를 사용하는 경우에, 초저전력 모니터링 센서가 전압 감속기를 이용하지 않고 0.3 V 내지 0.8 V에서 작동할 수 있는 저-전압 전력원을 필요로 한다는 것이 밝혀졌다. 낮은 작동 전압은 낮은 전력 소비율을 의미한다. 전압 감속기(예를 들어, 변압기)의 사용은 추가적인 전력 손실을 의미할 것이고, 이는 피해야 한다. 그러나, 리튬-이온(3.7 V), 납산(2 V), 아연-탄소/알칼리(1.5 V), 아연-공기(1.4 V), 및 니켈-금속(1.2 V)과 같은 상업적으로 입수 가능한 배터리 시스템은 모두 전압-미스매칭되어, 이는 작동 전압을 0.8 볼트 미만까지 가져오기 위하여 전압 감소 회로를 필요로 한다. 또한, 이러한 배터리들 대부분은 배터리 수명 내내 기능하는 데 있어 에너지 밀도가 낮다. 추가적으로, 원격 무선 센서의 크기가 대부분의 경우에 아주 작기 때문에, 배터리의 용적 에너지 밀도는 센서 장치에 대해 특히 중요하다.As an example, it has been found that, in the case of using a sensor, an ultra-low-power monitoring sensor requires a low-voltage power source capable of operating from 0.3 V to 0.8 V without using a voltage reducer. Low operating voltage means low power consumption. The use of a voltage reducer (for example a transformer) would mean an additional power loss, which should be avoided. However, commercially available battery systems such as lithium-ion (3.7 V), lead acid (2 V), zinc-carbon / alkaline (1.5 V), zinc-air (1.4 V), and nickel- Are all voltage-mismatched, which requires a voltage reduction circuit to bring the operating voltage below 0.8 volts. In addition, most of these batteries have a low energy density in functioning throughout the life of the battery. Additionally, because the size of the remote wireless sensor is very small in most cases, the volumetric energy density of the battery is particularly important for sensor devices.

이에 따라, 0.3 볼트 내지 0.8 볼트의 전압 범위에서 작동하고 전압 감속기 회로를 이용하지 않고 무선 장치, 웨어러블 장치, 또는 이식 장치에 전력을 공급하는 오래 지속되는 1차 배터리가 시급히 요구되고 있다. 바람직하게, 이러한 배터리 시스템은 또한, 다양한 장치 전력 설계 필요성에 대하여 출력 전압을 조정함에 있어서 유연성을 허용해야 한다.Accordingly, there is an urgent need for a long lasting primary battery that operates in the voltage range of 0.3 volts to 0.8 volts and supplies power to the wireless device, the wearable device, or the implant device without using the voltage reducer circuit. Preferably, such a battery system should also allow flexibility in adjusting the output voltage for various device power design needs.

본원에는 상술된 요건을 충족하는 전기화학 배터리 셀이 보고된다. 배터리 셀은An electrochemical battery cell is reported herein that meets the requirements described above. The battery cell

(A) 주 애노드 활물질을 갖는 애노드,(A) an anode having a primary anode active material,

(B) 주 캐소드 활물질을 갖는 캐소드, 및(B) a cathode having a main cathode active material, and

(C) 애노드 및 캐소드와 이온 접촉하는 이온-전도 전해질을 포함하며,(C) an ion-conducting electrolyte in ionic contact with the anode and the cathode,

여기서, 셀은 10% 방전 심도(depth of discharge; DoD)에서 측정하는 경우, 0.3 볼트의 하한치 내지 0.8 볼트의 상한치의 초기 출력 전압(Vi), 및 DoD에서 측정하는 경우, 90% 이하의 최종 출력 전압(Vf)을 가지며, 여기서, 전압 변동((Vi-Vf)/Vi)은 ± 10% 이하(바람직하게, ± 5% 이하)이며, Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량은 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이며, 애노드는 주 애노드 활물질로서 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합을 함유한다. 바람직한 애노드 활물질은 Li, Na, Mg, Al 이들의 합금 또는 혼합물이다.Where the cell has an initial output voltage Vi of a lower limit of 0.3 volts to an upper limit of 0.8 volts when measured at a 10% depth of discharge (DoD), and an initial output voltage Vi of 90% (Vi-Vf) / Vi) is less than or equal to 10% (preferably, less than or equal to 5%), and a specific capacity between Vi and Vf is less than or equal to the cathode active material weight or volume The anode is made of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), magnesium (Mg), aluminum (Al), zinc Zn, Ti, Mn, Fe, V, Co, Ni, mixtures thereof, alloys thereof, or combinations thereof. Preferred anode active materials are Li, Na, Mg, Al alloys or mixtures thereof.

방전 심도(DoD)는 배터리 분야에서 널리 공지된 용어이다. 간단히 말해서, DoD는 셀 중량, 애노드 활물질 중량, 또는 캐소드 활물질 중량과 관련하여 베터리 셀이 제공할 수 있는 최대 방전량에 대한 실제 방전량(비용량, mAh/g 또는 mAh/㎤ 측면에서)의 비율이다. 예를 들어, Li(애노드 활물질로서, M과 매칭시키기에 충분한 양을 가짐)에 대해 금속 M(캐소드 활물질로서)은 M 1 그램 당 1000 mAh의 Li까지 저장할 수 있으며, 이러한 Li/M 셀은 단지 900 mAh/g까지 방전할 수 있으며, 이러한 900 mAh/g의 비용량은 900/1,000 = 90%의 DoD에 해당한다.Discharge depth (DoD) is a well known term in the battery art. Briefly, DoD is the ratio of the actual discharge amount (in terms of specific capacity, mAh / g or mAh / cm3) to the maximum discharge amount that can be provided by the battery cell in relation to the cell weight, the anode active material weight, or the cathode active material weight to be. For example, for Li (as an anode active material, having a sufficient amount to match M), metal M (as a cathode active material) can store up to 1000 mAh of Li per M 1 gram, It is possible to discharge to 900 mAh / g, and this non-capacity of 900 mAh / g corresponds to 900 / 1,000 = 90% DoD.

10% 방전 심도(DoD)에서 측정할 때, 배터리 셀은 0.3 볼트 내지 0.8 볼트, 바람직하게, 0.3 볼트 내지 0.7 볼트의 초기 출력 전압(Vi)을 전달해야 한다. 배터리 셀은 또한, DoD에서 측정하는 경우, 90% 이하의 최종 출력 전압(Vf)을 전달하며, Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량은 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 바람직하게, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이다. 바람직하게, 전압 변동((Vi-Vf)/Vi)은 Vi 내지 선택된 Vf에서 ± 10% 이하(더욱 바람직하게, ± 5% 이하)이다. 배터리 설계자 또는 전자 장치 설계자는 10% 내지 90%의 DoDd에서 Vf를 선택하는데 자유롭지만, Vi 내지 Vf의 배터리 셀에 의해 전달된 비용량은 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 바람직하게, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이다.When measured at a 10% discharge depth (DoD), the battery cell must deliver an initial output voltage (Vi) of 0.3 volts to 0.8 volts, preferably 0.3 volts to 0.7 volts. The battery cell also delivers a final output voltage (Vf) of less than or equal to 90% when measured at DoD and a specific capacity between Vi and Vf is preferably less than 100 mAh / g or 200 mAh / cm < 3 > Preferably, the voltage variation ((Vi-Vf) / Vi) is less than or equal to ± 10% (more preferably, less than or equal to ± 5%) from Vi to the selected Vf. The battery designer or electronics designer is free to choose Vf from 10% to 90% DoDd, but the specific capacity delivered by the battery cells Vi to Vf is preferably 100 mAh / g or 200 mAh / cm < 3 > or more.

전기화학 배터리 셀은 애노드를 지지하는 애노드 집전체 및/또는 캐소드를 지지하는 캐소드 집전체를 추가로 포함할 수 있다.The electrochemical battery cell may further include an anode current collector for supporting the anode and / or a cathode current collector for supporting the cathode.

주 캐소드 활물질은 주 애노드 활물질과는 다른 금속, 반금속 또는 비금속 원소로부터 선택될 수 있으며, 캐소드에서 금속, 반금속 또는 비금속 원소는 주석(Sn), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 인듐(In), 텔루륨(Te), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 셀레늄(Se), 황(S), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 주 캐소드 활물질로서 사용되는 금속, 반금속 또는 비금속은 주 애노드 활물질로서 사용되는 금속과는 상이해야 하고, 주 애노드 활물질과 커플링될 때, 0.3 볼트 내지 0.8 볼트 범위의 출력 전압을 전달할 수 있어야 한다.The main cathode active material may be selected from a metal, a semi-metal or a nonmetal element different from the main anode active material. The metal, semimetal or nonmetal element in the cathode may be selected from the group consisting of tin (Sn), bismuth (Bi), antimony (Sb) (Al), zinc (Zn), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), vanadium (V), cobalt (Co), nickel (Ni), selenium (Se), sulfur (S), mixtures thereof, alloys thereof, or combinations thereof. The metal, semimetal or nonmetal used as the primary cathode active material must be different from the metal used as the primary anode active material and must be capable of delivering an output voltage in the range of 0.3 volts to 0.8 volts when coupled with the primary anode active material.

주 캐소드 활물질은 또한, 금속 산화물, 금속 인산화물, 또는 금속 황화물이며, 특히, 이는 주석 산화물, 코발트 산화물, 니켈 산화물, 망간 산화물, 바나듐 산화물, 철 인산화물, 망간 인산화물, 바나듐 인산화물, 전이금속 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.The main cathode active material is also a metal oxide, a metal phosphide, or a metal sulfide, and in particular, it is a metal oxide such as tin oxide, cobalt oxide, nickel oxide, manganese oxide, vanadium oxide, iron phosphate, manganese phosphate, vanadium phosphate, Sulfide, or a combination thereof.

특정 구현예에서, 주 캐소드 활물질은 탄소 황, 황 화합물, 리튬 폴리설파이드, 전이금속 디칼코게나이드(transition metal dichalcogenide), 전이금속 트리칼코게나이드, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 무기 재료를 함유한다.In certain embodiments, the primary cathode active material comprises an inorganic material selected from carbon sulfur, a sulfur compound, a lithium polysulfide, a transition metal dichalcogenide, a transition metal tricalogenconide, or a combination thereof.

전해질은 수성, 유기, 폴리머, 이온성 액체, 준-고체, 또는 고체 상태 전해질로부터 선택될 수 있다.The electrolyte can be selected from aqueous, organic, polymeric, ionic liquid, semi-solid, or solid state electrolytes.

바람직하게, 애노드는 주 애노드 활물질을 보호하기 위해 보호 재료로서 그래핀을 추가로 함유한다. 더욱 바람직하게, 주 애노드 활물질은 그래핀 시트에 의해 수용되거나 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된다.Preferably, the anode additionally contains graphene as a protective material to protect the primary anode active material. More preferably, the primary anode active material is accommodated by a graphene sheet or embedded in a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.

애노드 및/또는 캐소드에서 사용하기 위한 그래핀 재료는 0.01 중량% 미만의 비-탄소 원소를 갖는 초기 그래핀 재료 또는 0.01 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소를 갖는 비-초기 그래핀 재료를 함유할 수 있으며, 여기서, 상기 비-초기 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.The graphene material for use in the anode and / or cathode may comprise an initial graphene material having less than 0.01% by weight of the non-carbon element or a non-initial graphene material having from 0.01% to 50% by weight of the non- Wherein the non-initial graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, Pin, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically graphene graphene, or a combination thereof.

특정 구현예에서, 주 캐소드 활물질은 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된다. 바람직하게, 애노드에서 주 애노드 활물질은 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩되며, 캐소드에서 주 캐소드 활물질은 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된다.In certain embodiments, the primary cathode active material is accommodated by a graphene sheet or embedded in a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam. Preferably, in the anode, the primary anode active material is accommodated by a graphene sheet or embedded in a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam, wherein the primary cathode active material at the cathode is accommodated by a graphene sheet , Graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.

본 발명의 배터리 셀에서, 애노드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼(그 안에 임베딩된 주 애노드 활물질을 가짐)은 제1 배터리 단자 탭(즉, 그래핀 필름, 페이퍼, 매트, 또는 폼 자체는 애노드 집전체로서 역할을 함)에 연결되며, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 애노드 집전체(예를 들어, Cu 포일)가 존재하지 않는다. 이러한 특징은 배터리 중량 및 부피를 현저하게 감소시킬 수 있다.In the battery cell of the present invention, a graphene film, a graphene paper, a graphene mat, or a graphene foam (having the main anode active material embedded therein) at the anode is connected to the first battery terminal tab , Mat, or foam itself acts as an anode current collector) and may be a separate or additional anode current collector for supporting a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam (e.g., , Cu foil) is not present. This feature can significantly reduce battery weight and volume.

특정 구현예에서, 안에 임베딩된 주 캐소드 활물질을 갖는 캐소드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼은 배터리 단자 탭(그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼 자체가 캐소드 집전체로서 작용함)에 연결되며, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 캐소드 집전체가 존재하지 않는다.In certain embodiments, the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam in the cathode having the primary cathode active material embedded therein may have a battery terminal tab (graphene film, graphene paper, There is no separate or additional cathode current collector for supporting the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.

가장 바람직하게, 애노드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼(여기에 연결된 제1 단자 탭을 가짐)은 애노드 집전체로서 역할을 하며(Cu 포일과 같은 추가적인 또는 별도의 애노드 집전체를 가지지 않음), 캐소드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼(여기에 연결된 제2 배터리 단자 탭을 가짐)은 캐소드 집전체로서 역할을 하며, 캐소드에서 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 캐소드 집전체(예를 들어, Al 포일)가 존재하지 않는다. 이러한 특징은 배터리 중량 및 부피를 상당히 감소시킬 수 있다.Most preferably, at the anode, the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam (with the first terminal tab connected thereto) serves as an anode current collector (additional or separate Graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam (with the second battery terminal tab connected thereto) at the cathode serves as the cathode current collector, and at the cathode, There is no separate or additional cathode current collector (e.g., Al foil) to support the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam. This feature can significantly reduce battery weight and volume.

또한, 애노드 및 캐소드 둘 모두에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼의 가요성은 또한, 특이한 형상을 가질 수 있는 무선 장치, 웨어러블 장치, 또는 이식 장치에서 사용하기 위한 신축성 배터리 셀의 생산을 가능하게 한다.Also, the flexibility of the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam in both the anode and the cathode may also be used in wireless devices, wearable devices, or implantable devices that may have a particular shape Thereby enabling the production of cells.

바람직하게, Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량은 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 200 mAh/g 또는 400 mAh/㎤ 이상(더욱 바람직하게, 300 mAh/g 또는 600 mAh/㎤ 이상, 및 더욱 바람직하게, 400 mAh/g 또는 800 mAh/㎤ 이상)이다.Preferably, the specific capacity between Vi and Vf is not less than 200 mAh / g or not less than 400 mAh / cm3 (more preferably not less than 300 mAh / g or 600 mAh / cm3, and more preferably not more than 300 mAh / Preferably 400 mAh / g or 800 mAh / cm3 or more).

특정 구현예에서, 캐소드는 주 캐소드 활물질에 대한 전기화학적 성질 변경제로서 그래핀을 추가로 함유하며, 여기서, 첨가된 그래핀은 (캐소드에 그래핀이 첨가되지 않은 상응하는 셀에 비해) 셀 비용량을 증가시키거나, 셀 출력 전압을 증가시키거나 감소시킨다. 바람직하게, 주 캐소드 활물질은 그래핀의 표면에 결합되거나 그래핀의 표면에 의해 물리적으로 지지된다. 그래핀은 0.01 중량% 미만의 비-탄소 원소를 갖는 초기 그래핀 재료, 또는 0.01 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소를 갖는 비-초기 그래핀 재료를 함유할 수 있으며, 여기서, 비-초기 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.In certain embodiments, the cathode further comprises graphene as an electrochemical property modifier for the primary cathode active material, wherein the added graphene has a cell ratio (relative to the corresponding cell without graphene added to the cathode) Increasing the capacity, or increasing or decreasing the cell output voltage. Preferably, the primary cathode active material is bonded to the surface of the graphene or physically supported by the surface of the graphene. The graphene may contain an initial graphene material having less than 0.01% by weight of the non-carbon element, or a non-initial graphene material having from 0.01% to 50% by weight of the non-carbon element, The initial graphene may be graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, boron-doped graphene, nitrogen -Doped graphene, chemically graphene graphene, or a combination thereof.

본 발명은 또한, 전력원으로서 본 발명의 전기화학 배터리 셀을 포함한 전자 장치를 제공한다. 전자 장치는 본 발명의 전기화학 배터리 셀에 전자적으로 연결된 센서, 무선 장치, 웨어러블 장치, 또는 의료 장치를 함유할 수 있다.The present invention also provides an electronic device including the electrochemical battery cell of the present invention as a power source. The electronic device may contain a sensor, a wireless device, a wearable device, or a medical device that is electronically coupled to the electrochemical battery cell of the present invention.

도 1a. 애노드 집전체(예를 들어, Cu 포일), 애노드 층으로서 Li 금속 포일의 시트(Li 금속은 애노드 활물질임), 다공성 분리막, 전도성 충전제(예를 들어, 아세틸렌 블랙) 및 수지 결합제(예를 들어, PVDF)와 혼합된 캐소드 활물질(예를 들어, MoS2 또는 MnO2)의 입자로 이루어진 캐소드 활물질 층 및 캐소드 집전체(예를 들어, Al 포일)로 이루어진 종래 기술의 리튬 금속 배터리 셀(예를 들어, 1차 셀)의 개략도.
도 1b. 애노드 집전체(예를 들어, Cu 포일), 전도성 충전제(예를 들어, 카본 블랙) 및 수지 결합제(예를 들어, SBR)와 혼합된 애노드 활물질(예를 들어, 흑연 또는 Si 입자)의 입자로 이루어진 애노드 층, 다공성 분리막, 전도성 충전제 및 수지 결합제(예를 들어, SBR)와 혼합된 캐소드 활물질(예를 들어, LiCoO2 또는 LiFePO4)의 입자로 이루어진 캐소드 활물질 층, 및 캐소드 집전체(예를 들어, Al 포일)로 이루어진 종래 기술의 리튬-이온 배터리 셀(2차 또는 재충전 가능한 셀)의 개략도.
도 2. 초기 그래핀 폼(40a) 또는 그래핀 산화물 폼(40b)을 제조하는 공정과 함께, 박리된 흑연 제품(가요성 흑연 포일 및 팽창된 흑연 판)을 제조하는 다양한 종래 기술을 예시한 순서도.
도 3. 2개의 가상적인 배터리 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD 곡선, 또는 일정 전류 밀도에서의 전압 대 시간)을 도시한 예시적인 예: 셀 A는 1,500 mAh/㎤의 총 비용량을 가지며(0% DoD 내지 100% DoD), 셀 B는 600 mAh/㎤의 비용량을 갖는다.
도 4. 가능한 그래핀 시트-대-시트 병합 메커니즘.
도 5. 저-전압 Al-S 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 6. 저-전압 Li-P 셀 및 그래핀 개질된 Li-P/그래핀 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 7. 저-전압 Li-SnO2 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 8. 저-전압 Na-SnO2 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 9. 저-전압 Li-Sb 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 10. 저-전압 Na-Sb 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 11. 저-전압 Li-Fe3O4 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 12. 저-전압 Na-Fe3O4 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 13. 저-전압 Li-Sn 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 14. 저-전압 Li-Mn3O4 셀 및그래핀-개질된 셀(Li-Mn3O4/그래핀 셀)의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 15. 저-전압 Li-Al 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 16. 저-전압 Li-MoO3 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
도 17. 저-전압 Li-MoS2 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD).
1a. A porous separator, a conductive filler (for example, acetylene black), and a resin binder (for example, a metal foil) may be used as the anode layer, an anode collector (e.g., Cu foil), an anode layer of a sheet of Li metal foil (Li metal is an anode active material) A conventional lithium metal battery cell (for example, a lithium secondary battery) made of a cathode active material layer made of particles of a cathode active material (e.g., MoS 2 or MnO 2 ) and a cathode current collector (for example, , Primary cell).
1b. Particles of an anode active material (e.g., graphite or Si particles) mixed with an anode current collector (e.g., a Cu foil), a conductive filler (e.g. carbon black) and a resin binder (e.g., SBR) A cathode active material layer made of particles of a cathode active material (e.g., LiCoO 2 or LiFePO 4 ) mixed with an anode layer, a porous separator, a conductive filler and a resin binder (for example, SBR) Ion battery cell (secondary or rechargeable cell) consisting of an aluminum foil (e.g., Al foil).
2 shows a flow chart illustrating various prior art techniques for producing a peeled graphite product (flexible graphite foil and expanded graphite plate) with the process of making an initial graphene foam 40a or graphene oxide foam 40b. .
Example 3. Illustrative example showing the discharge curves (voltage versus DoD curves, or voltage vs. time at constant current density) of two hypothetical battery cells: Cell A has a total capacity of 1,500 mAh / cm3 (0 % DoD to 100% DoD), and cell B has a specific capacity of 600 mAh / cm3.
Figure 4. Possible graphene sheet-to-sheet merge mechanism.
Figure 5. Discharge curve of low-voltage Al-S cell (voltage versus DoD).
Figure 6. Discharge curve (voltage versus DoD) for low-voltage Li-P cells and graphene modified Li-P / graphene cells.
Figure 7. Discharge curve of low-voltage Li-SnO 2 cell (voltage versus DoD).
Figure 8. Discharge curve of low-voltage Na-SnO 2 cell (voltage versus DoD).
Figure 9. Discharge curve of the low-voltage Li-Sb cell (voltage versus DoD).
10. Discharge curve of the low-voltage Na-Sb cell (voltage versus DoD).
Figure 11. Discharge curve of low-voltage Li-Fe 3 O 4 cell (voltage versus DoD).
Figure 12. Discharge curve of low-voltage Na-Fe 3 O 4 cell (voltage versus DoD).
Figure 13. Discharge curve of low-voltage Li-Sn cell (voltage versus DoD).
Figure 14. Discharge curve (voltage versus DoD) of low-voltage Li-Mn 3 O 4 cells and graphene-modified cells (Li-Mn 3 O 4 / graphene cells).
Figure 15. Discharge curve of the low-voltage Li-Al cell (voltage versus DoD).
Figure 16. Discharge curve of low-voltage Li-MoO 3 cell (voltage versus DoD).
Figure 17. Discharge curve of low-voltage Li-MoS 2 cell (voltage versus DoD).

통상적인 1차 셀 구성에서, 도 1a에 예시된 바와 같이, 셀은 통상적으로, 애노드 집전체(예를 들어, Cu 포일), 애노드 층으로서 Li 금속 포일의 시트(Li 금속은 애노드 활물질임), 다공성 분리막, 전도성 충전제(예를 들어, 아세틸렌 블랙) 및 수지 결합제(예를 들어, PVDF)와 혼합된 캐소드 활물질(예를 들어, MoS2 또는 MnO2)의 입자로 이루어진 캐소드 활물질 층, 및 캐소드 집전체(예를 들어, Al 포일)로 이루어진다. 애노드 활물질(예를 들어, Li 금속)은 구리 포일의 시트와 같은, 애노드 집전체 상에 직접적으로 증착된 얇은 필름 형태를 가질 수 있다.In a typical primary cell configuration, as illustrated in Fig. 1A, a cell typically comprises an anode current collector (e.g., a Cu foil), a sheet of Li metal foil as the anode layer (Li metal is an anode active material) A cathode active material layer composed of particles of a cathode active material (for example, MoS 2 or MnO 2 ) mixed with a porous separator, a conductive filler (for example, acetylene black) and a resin binder (for example, PVDF) (For example, Al foil). The anode active material (e.g., Li metal) may have a thin film form deposited directly on the anode current collector, such as a sheet of copper foil.

그러나, 이러한 리튬 금속 배터리 셀은 일반적으로, 필수적으로 모든 전류 전자 장치, 전력 툴, 전기 자동차, 등이 1.0 볼트보다 더 높은 셀 전압에서 작동하기 때문에 높은 출력 전압(예를 들어, 2.0 볼트 초과 및 더욱 통상적으로, 3.0 볼트 초과)을 전달하도록 설계된다. 다른 타입의 배터리, 1차 또는 2차 배터리는 또한, 통상적으로, 1.0 볼트보다 상당히 더 높은 출력 전압을 제공하도록 설계되고 제조된다: 예를 들어, 리튬-이온(3.7 V), 납산(2 V), 알칼리(1.5 V), 아연-공기(1.4 V), 및 니켈-금속 하이드라이드(1.2 V). 4.0 볼트보다 더 높은 전압에서 작동하는 장치는 직렬로 연결된 다수의 셀의 사용을 필요로 한다(예를 들어, 12 볼트에서 작동하는 전기 자전거는 직렬로 연결된 6개의 납산 배터리 셀을 필요로 한다).However, these lithium metal battery cells generally require a high output voltage (e.g., greater than 2.0 volts, and more, for example) because essentially all current electronics, power tools, electric vehicles, etc. operate at cell voltages higher than 1.0 volts. Typically greater than 3.0 volts). Other types of batteries, primary or secondary batteries, are also typically designed and manufactured to provide an output voltage significantly higher than 1.0 volts: for example, lithium-ion (3.7 V), lead acid (2 V) , Alkali (1.5 V), zinc-air (1.4 V), and nickel-metal hydride (1.2 V). Devices operating at voltages higher than 4.0 volts require the use of multiple cells connected in series (for example, an electric bicycle operating at 12 volts requires six serially connected lead-acid battery cells).

도 1b에 예시된 바와 같이, 리튬-이온 배터리 셀(2차 또는 재충전 가능한 셀)은 통상적으로, 애노드 집전체(예를 들어, Cu 포일), 애노드 또는 네가티브 전극, 다공성 분리막 및/또는 전해질 성분, 캐소드 전극(통상적으로, 캐소드 활물질, 전도성 첨가제, 및 수지 결합제를 함유함), 및 캐소드 집전체(예를 들어, Al 포일)로 이루어진다. 더욱 일반적으로 사용된 셀 구성에서, 애노드 층은 애노드 활물질의 입자(예를 들어, 흑연, Sn, SnO2, 또는 Si), 전도성 첨가제(예를 들어, 카본 블랙 입자), 및 수지 결합제(예를 들어, SBR 또는 PVDF)로 이루어진다.As illustrated in Figure IB, a lithium-ion battery cell (secondary or rechargeable cell) typically comprises an anode current collector (e.g., a Cu foil), an anode or a negative electrode, a porous separator and / A cathode electrode (typically containing a cathode active material, a conductive additive, and a resin binder), and a cathode current collector (for example, an Al foil). In a more commonly used cell configuration, the anode layer may comprise particles of an anode active material (e.g. graphite, Sn, SnO 2 , or Si), a conductive additive (e.g., carbon black particles) For example, SBR or PVDF.

애노드에서 Cu 포일 및 캐소드에서 Al 포일은 각각 외부 회로에 연결하기 위해 단자 탭에 부착된다(용접되거나 납땜된다). 그러나, 이러한 집전체는 셀에 중량 및 부피를 부가하여, 셀의 효과적인 중량 및 부피 에너지 밀도를 감소시킨다.The Cu foil on the anode and the Al foil on the cathode are each attached (welded or brazed) to the terminal tabs for connection to external circuitry. However, such current collectors add weight and volume to the cell, thereby reducing the effective weight and volume energy density of the cell.

초저-전력 모니터링 센서는 0.3 V 내지 0.8 V 범위의 전압 수준에서 작동하는 저-전압 전력원의 이용 가능성을 필요로 한다. 이러한 전압 수준은 바람직하게는 긴 작동 시간에 걸쳐 비교적 일정하게 유지된다. 또한 대부분의 무선 장치, 웨어러블 장치, 또는 이식 장치는 전력원의 크기를 가능한 한 작게 하는 것을 필요로 한다. 1차 또는 2차 배터리인 종래 기술의 배터리는 이러한 요건을 충족하지 못한다.Ultra low-power monitoring sensors require the availability of low-voltage power sources operating at voltage levels ranging from 0.3 V to 0.8 V. This voltage level is preferably kept relatively constant over a long operating time. Also, most wireless devices, wearable devices, or implant devices require the size of the power source to be as small as possible. Prior art batteries, either primary or secondary batteries, do not meet these requirements.

이러한 문제는 본원에서, 본 발명에 의해 다루어진다. 본 발명의 일 구현예는 상술된 요건을 충족하는 전기화학 배터리 셀이다. 배터리 셀은 (A) 주 애노드 활물질을 갖는 애노드; (B) 주 캐소드 활물질을 갖는 캐소드, 및 (C) 애노드 및 캐소드와 이온 접촉하는 이온-전도 전해질을 포함하며, 여기서, 셀은 10% 방전 심도(DoD)에서 측정하는 경우, 0.3 볼트의 하한치 내지 0.8 볼트의 상한치의 초기 출력 전압(Vi), 및 DoD에서 측정하는 경우, 90% 이하의 최종 출력 전압(Vf)을 가지며, 여기서, 전압 변동((Vi-Vf)/Vi)은 ± 15% 이하(바람직하게, ± 10% 이하 및 더욱 바람직하게, ± 5% 이하)이며, Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량은 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이며, 애노드는 주 애노드 활물질로서 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합을 함유한다. 바람직한 애노드 활물질은 Li, Na, Mg, Al 및 이들의 합금이다.This problem is addressed here by the present invention. One embodiment of the present invention is an electrochemical battery cell that meets the requirements described above. The battery cell comprises: (A) an anode having a primary anode active material; (B) a cathode having a primary cathode active material, and (C) an ion-conducting electrolyte in ionic contact with the anode and the cathode, wherein the cell has a lower limit of 0.3 volts when measured at a 10% An initial output voltage Vi of an upper limit value of 0.8 volts and a final output voltage Vf of 90% or less when measured in DoD, wherein the voltage fluctuation (Vi-Vf) / Vi is within ± 15% (Preferably not more than 10% and more preferably not more than 5%), and the specific capacity between Vi and Vf is not less than 100 mAh / g or not less than 200 mAh / cm3 based on the weight or volume of the cathode active material , The anode is made of lithium (Li), sodium (Na), potassium (K), magnesium (Mg), aluminum (Al), zinc (Zn), titanium (Ti), manganese ), Vanadium (V), cobalt (Co), nickel (Ni), mixtures thereof, alloys thereof, or combinations thereof. Preferred anode active materials are Li, Na, Mg, Al and alloys thereof.

방전 심도(DoD)는 셀 중량, 애노드 활물질 중량, 또는 캐소드 활물질 중량의 측면에서 배터리 셀이 제공할 수 있는 최대 방전량에 대한 실제 방전량(비용량, mAh/g 또는 mAh/㎤)의 비율이다. 도 3은 2개의 셀의 방전 곡선(전압 대 DoD 곡선, 또는 일정 전류 밀도에서 전압 대 시간 곡선)을 도시한 예시적인 예를 제공한다. 셀 A는 1,500 mAh/㎤의 총 비용량(0% DoD 내지 100% DoD)을 가지며, 셀 B는 600 mAh/㎤의 비용량을 갖는다.The discharge depth DoD is a ratio of the actual discharge amount (specific capacity, mAh / g or mAh / cm 3) to the maximum dischargeable amount that the battery cell can provide in terms of the cell weight, the anode active material weight, or the cathode active material weight . Figure 3 provides an illustrative example illustrating the discharge curves of two cells (voltage versus DoD curves, or voltage versus time curves at constant current density). Cell A has a total specific capacity (0% DoD to 100% DoD) of 1,500 mAh / cm3, and Cell B has a specific capacity of 600 mAh / cm3.

도 3에서 셀 A의 경우에, 10% DoD는 150 mAh/㎤에서 일어나며, 90% DoD는 1,350 mAh/㎤에서 일어난다. 10% 내지 90%의 가장 유용한 DoD 범위는 1,200 mAh/㎤의 비용량에 해당한다. 0.55 볼트의 평균 전압에서, 이러한 범위는 1,200 Х 0.55 = 660 Wh/㎤(캐소드 부피를 기준으로 함)의 에너지 밀도를 전달하며, 이는 비록 예외적인 것은 아니지만, 저전력 장치에서 사용하기 위해 허용 가능하다. 또한, 10% 내지 90% DoD, 0.575 볼트에서 0.545 볼트까지의 전압 저하, (0.575-0.545)/0.575 = 5.2%의 변동.In the case of cell A in Fig. 3, 10% DoD occurs at 150 mAh / cm3 and 90% DoD occurs at 1,350 mAh / cm3. The most useful DoD range of 10% to 90% corresponds to a specific capacity of 1,200 mAh / cm3. At an average voltage of 0.55 volts, this range delivers an energy density of 1,200 x 0.55 = 660 Wh / cm 3 (based on the cathode volume), which is acceptable, although not exceptionally, for use in low power devices. Also, a 10% to 90% DoD, a voltage drop from 0.575 volts to 0.545 volts, a variation of (0.575-0.545) /0.575 = 5.2%.

셀 B의 경우에, 10% DoD는 60 mAh/㎤에서 일어나며, 90% DoD는 540 mAh/㎤에서 일어난다. 이러한 범위는 480 mAh/㎤의 비용량에 해당한다. 그러나, 이러한 범위에 걸쳐, 전압은 0.50 볼트에서 0.33 볼트까지 떨어지며, (0.50-0.33)/0.50 = 34%의 변동은 허용되지 않는다. 전자 장치는 일반적으로, 유용한 수명에 걸쳐 비교적 안정한 전압을 필요로 한다. ± 10%의 변동이 허용 가능하다고 가정하는 것이 합리적이며; 이후에, 전압은 요망되는 범위의 DoD에 걸쳐 0.50 볼트에서 0.45 볼트 미만까지 떨어지지 않을 수 있다. 셀 B의 경우에, 이러한 0.45 볼트는 35%의 DoD에 해당한다. 결과적으로, 유용한 전압 범위는 10% 내지 35% DoD로서, 이는 (35%-10%) Х 600 = 150 mAh/㎤의 유용한 비용량에 해당하는 것이며, 이는 수명이 긴 1차 셀로서는 실질적인 사용에 있어서는 너무 낮다.For Cell B, 10% DoD occurs at 60 mAh / cm3 and 90% DoD occurs at 540 mAh / cm3. This range corresponds to a specific capacity of 480 mAh / cm3. However, over this range, the voltage drops from 0.50 volts to 0.33 volts, and (0.50-0.33) /0.50 = 34% variation is not allowed. Electronic devices generally require a relatively stable voltage over a useful lifetime. It is reasonable to assume that a variation of ± 10% is acceptable; Thereafter, the voltage may not fall from 0.50 volts to less than 0.45 volts over the desired range of DoD. In the case of cell B, this 0.45 volts corresponds to 35% DoD. As a result, the useful voltage range is 10% to 35% DoD, which corresponds to a useful specific capacity of (35% -10%) Х 600 = 150 mAh / cm 3, It is too low.

이에 따라, 요약하면, 10% 방전 심도(DoD)에서 측정할 때, 배터리 셀은 0.3 볼트 내지 0.8 볼트, 바람직하게, 0.3 볼트 내지 0.7 볼트의 초기 출력 전압(Vi)을 전달해야 한다. 배터리 셀은 또한, DoD에서 측정하는 경우, 90% 이하의 최종 출력 전압(Vf)을 전달하며, Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량은 바람직하게, 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이다. 바람직하게, 전압 변동((Vi-Vf)/Vi)은 Vi 내지 선택된 Vf에서 ± 10% 이하(더욱 바람직하게, ± 5% 이하)이다. 배터리 설계자 또는 전자 장치 설계자는 10% 내지 90%의 DoD에서 Vf를 선택하는데 자유롭지만, Vi 내지 Vf의 배터리 셀에 의해 전달된 비용량은 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 바람직하게, 200 mAh/g 또는 400 mAh/㎤ 이상(더욱 바람직하게, 300 mAh/g 또는 600 mAh/㎤ 이상, 더욱 더 바람직하게, 400 mAh/g 또는 800 mAh/㎤ 이상, 보다 더욱 더 바람직하게, 500 mAh/g 또는 1,000 mAh/㎤ 이상, 그 이상으로 더욱 더 바람직하게, 700 mAh/g 또는 1,400 mAh/㎤ 이상, 및 가장 바람직하게, 1,000 mAh/g 또는 2,000 mAh/㎤ 이상)이다.Thus, in summary, when measured at a 10% discharge depth (DoD), the battery cell must deliver an initial output voltage Vi of 0.3 volts to 0.8 volts, preferably 0.3 volts to 0.7 volts. The battery cell also delivers a final output voltage (Vf) of less than or equal to 90% when measured at DoD and a specific capacity between Vi and Vf is preferably less than or equal to 100 mAh / g or 200 mAh / cm < 3 > Preferably, the voltage variation ((Vi-Vf) / Vi) is less than or equal to ± 10% (more preferably, less than or equal to ± 5%) from Vi to the selected Vf. The battery designer or electronics designer is free to choose Vf from 10% to 90% DoD, but the specific capacity delivered by the battery cells Vi to Vf is preferably 200 mAh / g or 400 mAh / cm3 or higher (more preferably 300 mAh / g or 600 mAh / cm3 or higher, still more preferably 400 mAh / g or 800 mAh / cm3 or higher, even more preferably 500 mAh / More preferably at least 1,000 mAh / cm3, even more preferably at least 700 mAh / g or 1,400 mAh / cm3, and most preferably at least 1,000 mAh / g or 2,000 mAh / cm3.

주 캐소드 활물질은 주 애노드 활물질과는 상이한 금속, 반금속, 또는 비금속 원소로부터 선택될 수 있으며, 캐소드에서 금속, 반금속 또는 비금속 원소는 주석(Sn), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 인듐(In), 텔루륨(Te), 인(P), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 셀레늄(Se), 황(S), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 주 캐소드 활물질로서 사용된 금속, 반금속 또는 비금속은 주 애노드 활물질로서 사용된 금속과는 달라야 하며, 주 애노드 활물질과 커플링될 때, 0.3 볼트 내지 0.8 볼트 범위의 출력 전압을 전달해야 한다.The main cathode active material may be selected from a metal, a semi-metal, or a non-metallic element different from the main anode active material, and the metal, semimetal or non-metallic element in the cathode may be selected from tin (Sn), bismuth (Bi), antimony (Sb) (Al), zinc (Zn), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), vanadium (V), copper (In), tellurium (Te), phosphorus (P) Cobalt (Co), nickel (Ni), selenium (Se), sulfur (S), mixtures thereof, alloys thereof, or combinations thereof. The metal, semimetal or nonmetal used as the primary cathode active material must be different from the metal used as the primary anode active material and must deliver an output voltage in the range of 0.3 volts to 0.8 volts when coupled with the primary anode active material.

주 캐소드 활물질은 또한, 금속 산화물, 금속 인산화물, 또는 금속 황화물로부터 선택될 수 있으며, 특히, 이는 주석 산화물, 코발트 산화물, 니켈 산화물, 망간 산화물, 바나듐 산화물, 철 인산화물, 망간 인산화물, 바나듐 인산화물, 전이금속 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.The primary cathode active material may also be selected from metal oxides, metal phosphates, or metal sulfides, and in particular, it may be selected from tin oxide, cobalt oxide, nickel oxide, manganese oxide, vanadium oxide, iron phosphate, manganese phosphate, Cargo, transition metal sulfides, or combinations thereof.

특정 구현예에서, 주 캐소드 활물질은 탄소 황, 황 화합물, 리튬 폴리설파이드, 전이금속 디칼코게나이드, 전이금속 트리칼코게나이드, 또는 이들의 조합으로부터 선택된 무기 재료를 함유한다.In certain embodiments, the primary cathode active material comprises an inorganic material selected from carbon sulfur, a sulfur compound, a lithium polysulfide, a transition metal dicalcogenide, a transition metal tricalcium cyanide, or a combination thereof.

전기화학 배터리 셀은 애노드를 지지하는 애노드 집전체 및/또는 캐소드를 지지하는 캐소드 집전체를 추가로 포함할 수 있다.The electrochemical battery cell may further include an anode current collector for supporting the anode and / or a cathode current collector for supporting the cathode.

바람직하게, 애노드 및/또는 캐소드는 주 애노드/캐소드 활물질을 보호하기 위한 보호 재료로서 그래핀을 추가로 함유한다. 더욱 바람직하게, 주 애노드 활물질 및/또는 캐소드 활물질은 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된다.Preferably, the anode and / or the cathode further contain graphene as a protective material for protecting the primary anode / cathode active material. More preferably, the primary anode active material and / or the cathode active material is accommodated by a graphene sheet or embedded in a graphene film, a graphene paper, a graphene mat, or a graphene foam.

애노드 및/또는 캐소드에서 사용하기 위한 그래핀 재료는 0.01 중량% 미만의 비-탄소 원소를 갖는 초기 그래핀 재료, 또는 0.01 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소를 갖는 비-초기 그래핀 재료를 함유할 수 있으며, 여기서, 상기 비-초기 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.The graphene material for use in the anode and / or cathode may be an initial graphene material having less than 0.01 weight percent non-carbon element, or a non-initial graphene material having from 0.01 weight percent to 50 weight percent non- Wherein the non-initial graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, Graphene, boron-doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically graphene graphene, or a combination thereof.

본 발명의 배터리 셀에서, 애노드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼(여기에 임베딩된 주 애노드 활물질을 가짐)은 제1 배터리 단자 탭에 연결되며(즉, 그래핀 필름, 페이퍼, 매트, 또는 폼 자체는 애노드 집전체로서 역할을 함), 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 애노드 집전체(예를 들어, Cu 포일)가 존재하지 않는다. 이러한 특징은 배터리 중량 및 부피를 상당히 감소시킬 수 있고, 이와 같이, 중량 및 부피 에너지 밀도를 상당히 감소시킨다.In the battery cell of the present invention, a graphene film, a graphene paper, a graphene mat, or a graphene foam (with the main anode active material embedded therein) at the anode is connected to the first battery terminal tab A separate or additional anode current collector for supporting the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam (e.g., a film, paper, mat, or foam itself acts as an anode current collector) , Cu foil) is not present. This feature can significantly reduce battery weight and volume, thus significantly reducing weight and volume energy density.

특정 구현예에서, 안에 임베딩된 주 캐소드 활물질을 갖는 캐소드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼은 배터리 단자 탭에 연결되며(그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼 자체는 캐소드 집전체로서 작용함), 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 캐소드 집전체가 존재하지 않는다.In certain embodiments, a graphene film, a graphene paper, a graphene mat, or a graphene foam is connected to the battery terminal tab (such as a graphene film, a graphene paper, a graphen mat, etc.) in the cathode having the primary cathode active material embedded therein , Or the graphene foam itself acts as the cathode current collector), a separate or additional cathode current collector for supporting the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.

가장 바람직하게, 애노드측 및 캐소드측 둘 모두는 별도의(추가적인) 집전체를 가지지 않는다. 상세하게, 애노드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼(여기에 연결된 제1 단자 탭을 가짐)은 애노드 집전체(추가적인 또는 별도의 애노드 집전체, 예를 들어, Cu 포일이 없음)로서 역할을 하며, 캐소드에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼(여기에 연결된 제2 배터리 단자 탭을 가짐)은 캐소드 집전체로서 역할을 하며, 캐소드에서 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 캐소드 집전체(예를 들어, Al 포일)가 존재하지 않는다. 이러한 특징은 배터리 중량 및 부피를 상당히 감소시킬 수 있고, 이와 같이, 중량 및 부피 에너지 밀도를 더욱 상당히 증가시킬 수 있다.Most preferably, both the anode side and the cathode side have no separate (additional) current collectors. In detail, at the anode, a graphene film, a graphene paper, a graphene mat, or a graphene foam (having a first terminal tab connected thereto) is coated with an anode current collector (additional or separate anode current collector, Graphene paper, graphene mat, or graphene foam (with the second battery terminal tab connected thereto) serves as the cathode current collector, and at the cathode, There is no separate or additional cathode current collector (e.g., Al foil) to support the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam. This feature can significantly reduce the weight and volume of the battery and thus significantly increase the weight and volume energy density.

또한, 애노드 및 캐소드 둘 모두에서 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼의 가요성, 및 Cu 포일 및 Al 포일 집전체의 부족은 또한, 특이한 형상을 가질 수 있는 무선 장치, 웨어러블 장치, 또는 이식 장치에서 사용하기 위한 신축성 배터리 셀의 생산을 가능하게 한다. 이러한 예상치 못한 특징은 무선, 웨어러블, 또는 이식 장치를 위해 매우 요망된다.Also, the flexibility of the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam in both the anode and the cathode, and the lack of Cu foil and Al foil current collectors, can also be used in wireless devices, Wearable device, or implantable device for use in portable devices. These unexpected features are highly desirable for wireless, wearable, or implantable devices.

본 발명의 다른 예상치 못한 특징은, 그래핀이 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 전기화학적 성질을 개질시킬 수 있다는 개념이다(예를 들어, 방전 곡선을 변경함). 이에 따라, 특정 구현예에서, 캐소드는 주 캐소드 활물질에 전기화학적 성질 변경제로서 그래핀을 추가로 함유하며, 여기서, 첨가된 그래핀은 셀 비용량을 증가시키거나, 셀 출력 전압을 증가시키거나 감소시킨다(캐소드에 그래핀이 첨가되지 않은 상응하는 셀에 대해). 바람직하게, 주 캐소드 활물질은 그래핀의 표면에 결합되거나 이러한 표면에 의해 물리적으로 지지된다. 다시, 전기화학적 변경제로서 그래핀은 0.01 중량% 미만의 비-탄소 원소를 갖는 초기 그래핀 재료, 또는 0.01 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소를 갖는 비-초기 그래핀 재료를 함유할 수 있으며, 여기서, 비-초기 그래핀은 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다.Another unexpected feature of the present invention is the concept that graphene can modify the electrochemical properties of the anode active material or cathode active material (e. G., Change the discharge curve). Thus, in certain embodiments, the cathode further comprises a graphene as an electrochemical property modifier in the primary cathode active material, wherein the added graphene increases the cell specific capacity, increases the cell output voltage (For the corresponding cell where no graphene is added to the cathode). Preferably, the primary cathode active material is bonded to, or physically supported by, the surface of the graphene. Again, as an electrochemical modifier, graphene may contain an initial graphene material having less than 0.01% by weight of the non-carbon element, or a non-initial graphene material having from 0.01% to 50% by weight of the non-carbon element Wherein the non-initial graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, boron Doped graphene, nitrogen-doped graphene, chemically graphene graphene, or a combination thereof.

벌크 천연 흑연은 이웃하는 흑연 단결정을 구분하는 결정립 경계(비정질 또는 결함 구역)를 갖는 다수의 결정립(결정립은 흑연 단결정 또는 결정자임)으로 이루어진 각 흑연 입자를 갖는 3-D 흑연 물질이다. 각 결정립은 서로 평행하게 배향된 다수의 그래핀 평면으로 이루어진다. 흑연 결정자에서의 그래핀 평면은 2차원의 육각형 격자를 점유하는 탄소 원자로 이루어진다. 제공된 결정립 또는 단결정에서, 그래핀 평면은 결정학적 c-방향(그래핀 평면 또는 기저 평면에 대해 수직임)에서 반데르발스 힘을 통해 적층되고 결합된다. 하나의 결정립에서의 모든 그래핀 평면이 서로 평행하지만, 통상적으로, 하나의 결정립에서의 그래핀 평면 및 인접한 결정립에서의 그래핀 평면은 상이한 배향으로 기울어진다. 다시 말해서, 흑연 입자에서 다양한 결정립의 배향은 통상적으로 하나의 결정립과 다른 결정립 간에 상이하다.Bulk natural graphite is a 3-D graphite material having respective graphite particles composed of a plurality of crystal grains (crystal grains are graphite single crystals or crystallites) having crystal grain boundaries (amorphous or defective regions) for separating neighboring graphite single crystals. Each grain consists of a plurality of graphene planes oriented parallel to one another. The graphene plane in the graphite crystallizer consists of carbon atoms occupying a two-dimensional hexagonal lattice. In the crystal grains or monocrystals provided, the graphene planes are laminated and bonded via van der Waals forces in the crystallographic c -direction (perpendicular to the graphene plane or the base plane). Although all of the graphene planes in one grain are parallel to each other, the graphene planes at one grain and the graphene planes at adjacent grains are typically tilted in different orientations. In other words, the orientation of the various grains in graphite grains is typically different between one grains and the other grains.

천연 또는 인공 흑연 입자에서 흑연 결정자의 구성성분 그래핀 평면은 탄소 원자의 개별 그래핀 시트를 얻기 위해 박리되고 추출되거나 단리될 수 있으며, 단, 평면간 반데르발스 힘이 극복될 수 있다. 탄소 원자의 단리된, 개별 그래핀 시트는 단일층 그래핀으로서 통상적으로 지칭된다. 대략 0.3354 nm 의 그래핀 평면간 간격을 갖는 두께 방향으로 반데르발스 힘을 통해 결합된 다수의 그래핀 평면의 스택은 통상적으로 다중층 그래핀으로서 지칭된다. 다중층 그래핀 판은 300개 층 이하의 그래핀 평면(두께가 100 nm 미만), 더욱 통상적으로, 30개 이하의 그래핀 평면(두께가 10 nm 미만임), 더욱 더 통상적으로, 20개 미만의 그래핀 평면(두께가 7 nm 미만임), 및 가장 통상적으로, 10개 이하의 그래핀 평면(통상적으로, 과학계에서 수 개의 층으로서 지칭됨)을 갖는다. 단일층 그래핀 및 다중층 그래핀 시트는 총괄적으로, "나노그래핀" 판(nanographene platelet; NGP)으로 불리워진다. 그래핀 또는 그래핀 산화물 시트/판(총괄적으로, NGP)는 0-D 플러렌, 1-D CNT, 및 3-D 흑연과는 구별되는 새로운 부류의 탄소 나노재료(2-D 나노카본)이다.The constituent graphene planes of graphite crystallites in natural or artificial graphite particles can be stripped, extracted or isolated to obtain individual graphene sheets of carbon atoms, provided that the planar van der Waals forces can be overcome. Isolated, individual graphene sheets of carbon atoms are commonly referred to as single layer graphenes. A stack of multiple graphene planes bonded through van der Waals forces in the thickness direction with a graphene interspacing of approximately 0.3354 nm is commonly referred to as multilayer graphene. The multilayer graphene plate has a graphene plane of less than 300 layers (thickness less than 100 nm), more typically less than 30 graphene planes (thickness less than 10 nm), more typically less than 20 Of the graphene plane (thickness less than 7 nm), and most typically less than 10 graphene planes (commonly referred to as several layers in the scientific community). Single layer graphenes and multilayer graphene sheets are collectively referred to as "nanographene platelets " (NGP). Graphene or graphene oxide sheets / plates (collectively, NGP) are a new class of carbon nanomaterials (2-D nanocarbons) distinct from 0-D fullerenes, 1-D CNTs, and 3-D graphites.

본 발명자의 연구 그룹은 2002년 초에 그래핀 재료 및 관련된 생산 공정의 개발을 개척하였다[(1) B. Z. Jang and W. C. Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," 미국특허 제7,071,258호(07/04/2006), 2002년 10월 21일에 제출된 출원; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing nanoscaled Graphene Plates," 미국특허출원 제10/858,814호(06/03/2004); 및 (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing nanoscaled Platelets and Nanocomposites," 미국특허출원 11/509,424호(08/25/2006)].The inventor's research group pioneered the development of graphene materials and related production processes in early 2002 [(1) BZ Jang and WC Huang, "Nano-scaled Graphene Plates," US Patent No. 7,071,258, 2006), filed on October 21, 2002; (2) B. Z. Jang, et al. "Process for Producing nanoscaled Graphene Plates," U.S. Patent Application No. 10 / 858,814 (06/03/2004); And (3) B. Z. Jang, A. Zhamu, and J. Guo, "Process for Producing Nanoscaled Platelets and Nanocomposites," U.S. Patent Application 11 / 509,424 (08/25/2006).

본 발명자의 공정에서, 그래핀 재료는 도 2(공정 흐름도)에 예시된 바와 같이, 흑연 인터칼레이션 화합물(GIC) 또는 흑연 산화물(GO)을 얻기 위하여, 천연 흑연 입자에 강산 및/또는 산화제를 인터칼레이션함으로써 얻어진다. 그래핀 평면 사이의 사이 공간에서의 화학적 종 또는 작용기의 존재는 그래핀간 간격(X선 회절에 의해 측정하는 경우, d002)을 증가시키는 역할을 하여, c-축 방향을 따라 그래핀 평면들을 함께 달리 유지시키는 반데르발스 힘을 상당히 감소시킨다. GIC 또는 GO는 가장 흔히, 황산, 질산(산화제), 및 다른 산화제(예를 들어, 칼륨 퍼망가네이트 또는 나트륨 퍼클로레이트)의 혼합물 중에 천연 흑연 분말(도 2에서 20)을 함침시킴으로써 생성된다. 얻어진 GIC(22)는 인터칼레이션 절차 동안 산화제가 존재하는 경우에, 흑연 산화물(GO) 입자의 실제 일부 타입이다. 이러한 GIC 또는 GO는 이후에, 과량의 산을 제거하기 위해 반복적으로 수중에서 세척 및 세정되어, 흑연 산화물 현탁액 또는 분산액을 형성하며, 이는 수중에 분산된 별도의 및 시각적으로 구별되는 흑연 산화물 입자를 함유한다. 그래핀 재료를 제조하기 위하여, 하기에 간단하게 기술되어 있는, 이러한 세정 단계 후 2가지 처리 경로 중 하나로 이어질 수 있다:In the process of the present inventors, the graphene material may contain a strong acid and / or an oxidizing agent to the natural graphite particles to obtain a graphite intercalation compound (GIC) or a graphite oxide (GO), as illustrated in FIG. 2 Intercalation. The presence of chemical species or functional groups in the interplanar space between the graphene planes serves to increase the intergranular spacing (d 002 as measured by X-ray diffraction), so that graphene planes along the c- Significantly reducing the van der Waals forces that otherwise would be maintained. GIC or GO is most often produced by impregnating natural graphite powder (20 in Figure 2) in a mixture of sulfuric acid, nitric acid (oxidizing agent), and other oxidizing agents (e.g., potassium permanganate or sodium perchlorate). The resulting GIC 22 is actually some type of graphite oxide (GO) particles in the presence of an oxidant during the intercalation procedure. Such a GIC or GO is subsequently washed and rinsed in water repeatedly to remove excess acid to form a graphite oxide suspension or dispersion which contains separate and visually distinct graphite oxide particles dispersed in water do. To produce graphene materials, this cleaning step, which is briefly described below, can lead to one of two treatment paths:

경로 1은 필수적으로 건조된 GIC 또는 건조된 흑연 산화물 입자의 덩어리(mass)인, "팽창 가능한 흑연"을 수득하기 위해 현탁액으로부터 물을 제거하는 것을 포함한다. 대략 30초 내지 2분 동안, 통상적으로, 800℃ 내지 1,050℃ 범위의 온도까지의 팽창 가능한 흑연의 노출 시에, GIC는 "흑연 웜"(24)을 형성하기 위해 30배 내지 300배의 빠른 부피 팽창을 겪으며, 이는 각각 박리되지만, 상호 연결 상태가 유지된 거의 분리되지 않은 흑연 박편의 집합이다.Path 1 involves removing water from the suspension to obtain "expandable graphite, " which is essentially a mass of dried GIC or dried graphite oxide particles. Upon exposure of the expandable graphite to a temperature typically in the range of 800 ° C to 1,050 ° C for approximately 30 seconds to 2 minutes, the GIC is subjected to a rapid 30 to 300-fold volume to form a "graphite worm" Which is a set of nearly discrete graphite flakes, each of which is peeled off but remains in an interconnected state.

경로 1A에서, 이러한 흑연 웜(박리된 흑연 또는 "상호연결된/분리되지 않은 흑연 박편의 네트워크"은 0.1 mm(100 ㎛) 내지 0.5 mm(500 ㎛) 범위의 두께를 통상적으로 갖는 가요성 흑연 시트 또는 포일(26)을 얻기 위해 재-압축될 수 있다. 대안적으로, 거의, 100 nm보다 더 두꺼운 흑연 박편 또는 판을 함유한(이에 따라, 정의상 나노재료가 아님) 소위 "팽창된 흑연 박편"(49)을 생산할 목적으로 흑연 웜을 단순하게 파괴시키기 위해 저강도 에어 밀 또는 전단 기계를 이용하는 것이 선택될 수 있다.In route 1A, such graphite worms (peeled graphite or "network of interconnected / non-separated graphite flakes") is a flexible graphite sheet typically having a thickness in the range of 0.1 mm (100 μm) to 0.5 mm Expanded graphite flakes "(which, by definition, are not nanomaterials) containing graphite flakes or plates that are thicker than about 100 nm, can be re-compressed to obtain a foil 26. Alternatively, It is possible to choose to use a low-strength air-mill or shear machine to simply break the graphite worms for the purpose of producing them.

경로 1B에서, 박리된 흑연은 본 발명자의 미국출원 제10/858,814호에 개시된 바와 같이, 분리된 단일층 및 다중 층 그래핀 시트(총괄적으로, NGP(33)로 불리워짐)를 형성하기 위해, 고강도 기계적 전단(예를 들어, 초음파처리기, 고전단 믹서, 고강도 에어 제트 밀, 또는 고에너지 볼 밀을 사용함)으로 처리된다. 단일층 그래핀은 0.34 nm 정도로 얇을 수 있으며, 다층 그래핀은 100 nm 이하의 두께를 가질 수 있지만, 더욱 통상적으로, 10 nm 미만의 두께를 가질 수 있다(통상적으로, 수 개의 층 그래핀으로서 지칭됨). 다수의 그래핀 시트 또는 판은 제지 공정을 이용하여 NGP 페이퍼의 시트(34)로 제조될 수 있다.In path 1B, the exfoliated graphite may be used to form separate monolayer and multilayer graphene sheets (collectively referred to as NGP 33), as disclosed in our U.S. Provisional Application No. 10 / 858,814, High strength mechanical shear (e.g., using an ultrasonic processor, high shear mixer, high intensity air jet mill, or high energy ball mill). Single layer graphene may be as thin as 0.34 nm, and multilayer graphene may have a thickness of less than 100 nm, but more typically may have a thickness of less than 10 nm (typically several layers of graphene being). A number of graphene sheets or sheets can be made of sheets 34 of NGP paper using a papermaking process.

경로 2는 흑연 산화물 입자로부터 개별 그래핀 산화물 시트를 분리/단리시킬 목적을 위해 흑연 산화물 현탁액을 초음파처리하는 것을 수반한다. 이는 그래핀 평면간 분리가 천연 흑연에서 0.3354 nm에서 고도로 산화된 흑연 산화물에서 0.6 nm 내지 1.1 nm까지 증가되어, 이웃하는 평면을 함께 유지시키는 반데르발스 힘을 상당히 약화시킨다는 개념을 기초로 한 것이다. 초음파 전력은 분리된, 단리된, 또는 별도의 그래핀 산화물(GO) 시트를 형성하기 위해 그래핀 평면 시트를 추가로 분리시키기에 충분할 수 있다. 이러한 그래핀 산화물 시트는 이후에, 0.001 중량% 내지 10 중량%, 더욱 통상적으로, 0.01 중량% 내지 5 중량%, 가장 통상적으로 그리고 바람직하게, 2 중량% 미만의 산소 함량을 통상적으로 갖는 "환원된 그래핀 산화물"(RGO)을 수득하기 위해 화학적으로 또는 열적으로 환원될 수 있다.Path 2 involves sonicating the graphite oxide suspension for the purpose of separating / isolating individual graphene oxide sheets from the graphite oxide particles. This is based on the concept that graphene flat separation is increased from 0.6 nm to 1.1 nm in highly oxidized graphite oxide at 0.3354 nm in natural graphite, which significantly weakens the van der Waals forces that keep adjacent planes together. The ultrasonic power may be sufficient to further separate the graphene flat sheet to form a separate, isolated, or separate graphene oxide (GO) sheet. Such a graphene oxide sheet is then subjected to a heat treatment at a temperature of from about < RTI ID = 0.0 > 001 < / RTI > to 10 weight percent, more typically from 0.01 weight percent to 5 weight percent, most typically and preferably, Can be chemically or thermally reduced to obtain a graphene oxide "(RGO).

본 출원의 청구범위를 규정하는 목적을 위하여, NGP 또는 그래핀 재료는 단일층 및 다중층(통상적으로, 10개 미만의 층)의 초기 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물(RGO), 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 도핑된 그래핀(예를 들어, B 또는 N에 의해 도핑됨)의 별개의 시트/판을 포함한다. 초기 그래핀은 본질적으로 0% 산소를 갖는다. RGO는 통상적으로, 0.001 중량% 내지 5 중량%의 산소 함량을 갖는다. (RGO를 포함한) 그래핀 산화물은 0.001 중량% 내지 50 중량%의 산소를 가질 수 있다. 초기 그래핀을 제외한 모든 그래핀 재료는 0.001 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소(예를 들어, O, H, N, B, F, Cl, Br, I 등)를 갖는다. 이러한 물질은 본원에서 비-초기 그래핀 재료로서 지칭된다.For purposes of defining the claims of the present application, NGP or graphene materials may comprise a single layer and multiple layers (typically less than 10 layers) of initial graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide (RGO) , Graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, chemically graphene graphene, doped graphene (e.g., B or N Lt; / RTI > doped). The initial graphene has essentially 0% oxygen. RGO typically has an oxygen content of from 0.001% to 5% by weight. The graphene oxide (including RGO) can have from 0.001% to 50% by weight of oxygen. All graphene materials except for the initial graphene have 0.001 wt% to 50 wt% non-carbon elements (e.g., O, H, N, B, F, Cl, Br, I, etc.). Such materials are referred to herein as non-initial graphene materials.

모든 타입의 그래핀 시트(애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자와 함께)는 예를 들어, 진공-보조 여과 절차를 이용하여, 페이퍼 형태로 제조될 수 있다. 모든 타입의 그래핀 시트(애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자와 함께)는 코팅 또는 캐스팅 절차를 이용하여 필름 형태로 제조될 수 있다. 이러한 절차는 당해 분야에 널리 공지되어 있다.All types of graphene sheets (with particles of the anode active material or cathode active material) can be made in paper form, for example, using vacuum-assisted filtration procedures. All types of graphene sheets (with particles of the anode active material or cathode active material) can be made into films using coating or casting procedures. Such procedures are well known in the art.

그래핀 폼은 발포제를 포함한 절차를 사용함으로써 제조될 수 있다. 발포제(blowing agent) 또는 포밍제(foaming agent)는 경화 또는 상 전이를 일으키는 다양한 물질, 예를 들어, 폴리머(플라스틱 및 고무), 유리, 및 금속에서 발포 공정을 통해 셀 또는 발포된 구조를 생성시킬 수 있는 물질이다. 이러한 것은 통상적으로, 발포되는 물질이 액체 상태에 있을 때 적용된다. 이전에, 발포제가 고체 상태에 있는 동안 발포된 물질을 생성시키기 위해 사용될 수 있다는 것은 알려져 있지 않았다. 더욱 유의미하게, 그래핀 시트의 집합체(aggregate)가 발포제를 통해 그래핀 폼으로 변환될 수 있다는 것이 종래에 교시되거나 암시되어 있지 않았다. 폴리머 매트릭스에서 셀 구조는 통상적으로, 본래 폴리머의 두께 및 상대적 강성을 증가시키면서, 밀도를 감소시키고 내열성 및 방음성을 증가시킬 목적으로 생성된다.The graphene foam can be produced by using a procedure including a blowing agent. Blowing agents or foaming agents can be used to produce cells or foamed structures through a foaming process in a variety of materials that cause hardening or phase transition, such as polymers (plastics and rubbers), glass, It is a substance that can be. This is typically applied when the foamed material is in a liquid state. Previously, it was not known that foaming agents could be used to produce foamed material while in a solid state. More significantly, it has not been taught or implied in the prior art that an aggregate of graphene sheets can be converted to graphene foam through a blowing agent. Cell structures in polymer matrices are typically created for the purpose of reducing density and increasing heat resistance and sound insulation while increasing the thickness and relative stiffness of the original polymer.

발포된 또는 셀 물질을 생산하기 위한 매트릭스에서 공극 또는 셀(버블)을 생성시키는 발포제 또는 관련된 발포 메커니즘은 하기 그룹으로 분류될 수 있다:Blowing agents or related blowing mechanisms that produce voids or cells (bubbles) in a matrix for producing foamed or cell material can be classified into the following groups:

(a) 물리적 발포제: 예를 들어, 탄화수소(예를 들어, 펜탄, 이소펜탄, 사이클로펜탄), 클로로플루오로카본(CFC), 하이드로클로로플루오로카본(HCFC), 및 액체 CO2. 버블/폼-생성 공정은 흡열 공정으로서, 즉, 이는 액체 발포제를 휘발화시키기 위해(예를 들어, 용융 공정 또는 가교로 인한 화학적 발열로부터의) 열을 필요로 한다.(a) Physical blowing agents: for example, hydrocarbons (e.g., pentane, isopentane, cyclopentane), chlorofluorocarbons (CFC), hydrochlorofluorocarbons (HCFC), and liquid CO 2 . The bubble / foam-forming process is an endothermic process, i. E. It requires heat to volatilize the liquid foaming agent (e. G., From a chemical exotherm due to a melting process or crosslinking).

(b) 화학적 발포제: 예를 들어, 이소시아네이트, 아조-, 하이드라진, 및 다른 질소-기반 물질(열가소성 및 엘라스토머 폼을 위한), 나트륨 바이카르보네이트(예를 들어, 베이킹 소다, 열가소성 폼에서 사용됨). 여기에서, 가스성 산물 및 다른 부산물은 공정 및 반응하는 폴리머의 발열성 열에 의해 촉진되는, 화학적 반응에 의해 형성된다. 발포 반응이 발포 가스로서 작용하는 저분자량 화합물을 형성하는 것을 포함하기 때문에, 추가 발열성 열이 또한 방출된다. 티탄 하이드라이드 분말은, 이러한 것이 상승된 온도에서 티탄 및 수소 가스를 형성하기 위해 분해하기 때문에, 금속 폼의 생산에서 포밍제로서 사용된다. 지르코늄(II) 하이드라이드는 동일한 목적을 위해 사용된다. 형성된 직후에, 저분자량 화합물은 본래 발포제(들)로 결코 되돌아 가지 않을 것이며, 즉, 반응은 비가역적이다.(b) Chemical blowing agents: for example, isocyanates, azo-hydrazine, and other nitrogen-based materials (for thermoplastic and elastomeric foams), sodium bicarbonates (e.g. used in baking soda, thermoplastic foams) . Here, gaseous products and other by-products are formed by chemical reactions, which are promoted by the exothermic heat of the process and the reacting polymer. Since the foaming reaction involves forming a low molecular weight compound that acts as a foaming gas, additional pyrogenic heat is also released. The titanium hydride powder is used as a foaming agent in the production of metal foams because it decomposes to form titanium and hydrogen gases at elevated temperatures. Zirconium (II) hydride is used for the same purpose. Immediately after formation, the low molecular weight compound will never return to the original blowing agent (s), i.e., the reaction is irreversible.

(c) 혼합된 물리적/화학적 발포제: 예를 들어, 매우 낮은 밀도를 갖는 가요성 폴리우레탄(PU) 폼을 생산하기 위해 사용됨. 화학적 및 물리적 발포 둘 모두는 방출/흡수된 열 에너지와 관련하여 서로 균형을 맞추기 위해 함께 사용될 수 있으며; 이에 따라, 온도 상승을 최소화한다. 예를 들어, 이소시아네이트 및 물(CO2를 형성하기 위해 반응함)은 매트리스(mattress)를 위한 매우 낮은 밀도의 가요성 PU 폼의 생산에서 액체 CO2(가스상 형태를 제공하기 위해 비등함)와 함께 사용된다.(c) Mixed physical / chemical blowing agents: Used to produce, for example, flexible polyurethane (PU) foams with very low densities. Both chemical and physical foaming can be used together to balance each other with respect to the emitted / absorbed thermal energy; As a result, temperature rise is minimized. For example, a diisocyanate and water (the reaction to form a CO 2) is a mattress (mattress) the so with low density (the boiling to provide a gaseous form) of the liquid CO 2 in the production of flexible PU foam for Is used.

(d) 기계적으로 주입되는 작용제: 기계적으로 제조된 폼은 버블을 액체 중합 가능한 매트릭스(예를 들어, 액체 라텍스 형태의 가황화되지 않지 않은 엘라스토머) 내에 도입하는 방법을 포함한다. 이러한 방법은 저점도 격자에 공기 또는 다른 가스 또는 저비등 휘발성 액체를 휘젓거나(whisking-in), 가스를 압출기 배럴 또는 다이 내에 또는 사출 성형 배럴 또는 노즐 내에 주입하고, 용융물 중에 매우 미세한 버블 또는 가스의 용액을 형성시키기 위해 스크류의 전단/혼합 작용으로 가스를 균일하게 분산시키는 것을 포함한다. 용융물이 성형되거나 압출되고 부품이 대기압에 있을 때, 가스는 고형화 직전에 용액으로부터 나와서 폴리머 용융물을 팽창시킨다.(d) Mechanically injected agents: The mechanically prepared foam includes a method of introducing the bubble into a liquid polymerizable matrix (e.g., a non-vulcanizable elastomer in the form of a liquid latex). This method can be used to whisk in-air or other gas or low-boiling volatile liquid to a low-viscosity grating and inject gas into an extruder barrel or die or into an injection-molded barrel or nozzle to produce a very fine bubble or gas And uniformly dispersing the gas by the shearing / mixing action of the screw to form a solution. When the melt is molded or extruded and the part is at atmospheric pressure, the gas exits the solution just prior to solidification and expands the polymer melt.

(e) 가용성 및 침출성 작용제: 가용성 충전제, 예를 들어, 액체 우레탄 시스템 내에 혼합되고, 이후에 고체 폴리머 부품으로 형상화되는 고체 나트륨 클로라이드 결정으로서, 나트륨 클로라이드는 후에 잠시 동안 수중에 고체 성형된 부품을 함침시킴으로써 세척되어, 비교적 고밀도 폴리머 생성물에서 작은 서로 연결된 홀을 형성시킨다.(e) Soluble and leachable agents: soluble solid fillers, for example, solid sodium chloride crystals which are mixed in a liquid urethane system and then formed into solid polymer parts, sodium chloride is added to a solid molded part in water for a while Impregnated to form small interconnected holes in the relatively high density polymer product.

(f) 본 발명자는, 상기 5개의 메커니즘 모두가 고체 상태인 동안에 그래핀 재료에서 공극을 생성시키기 위해 사용될 수 있다는 것을 발견하였다. 그래핀 재료에서 공극을 생성시키는 다른 메커니즘은 고온 환경에서 그러한 비-탄소 원소를 제거함으로써 휘발성 가스의 발생 및 증기화를 통해 이루어진다. 이러한 것은 이전에 결코 교시되거나 제시되지 않은 독특한 자가-발포 공정이다.(f) The inventor has discovered that all of the five mechanisms can be used to create voids in graphene material while in a solid state. Another mechanism for creating voids in graphene materials is through the generation and vaporization of volatile gases by removing such non-carbon elements in a high temperature environment. This is a unique self-foaming process that has never been taught or presented before.

바람직한 구현예에서, 분산액 중 그래핀 재료는 초기 그래핀, 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된다. 상기 그래핀 재료들 중 어느 하나를 생성시키기 위한 출발 흑연 물질은 천연 흑연, 인공 흑연, 메소상 탄소, 메소상 피치, 메소탄소 마이크로비드, 연질 탄소, 경질 탄소, 코크스, 탄소 섬유, 탄소 나노섬유, 탄소 나노튜브, 또는 이들의 조합으로부터 선택될 수 있다.In a preferred embodiment, the graphene material in the dispersion is selected from the group consisting of initial graphene, graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, Graphene, chemically functionalized graphene, or a combination thereof. The starting graphite material for producing any of the graphen materials may be selected from the group consisting of natural graphite, artificial graphite, mesophase carbon, mesophase pitch, meso carbon microbead, soft carbon, light carbon, coke, carbon fiber, Carbon nanotubes, or a combination thereof.

예를 들어, 그래핀 산화물(GO)은 반응 용기에서, 요망되는 온도에서 소정 시간(통상적으로, 출발 물질의 특성 및 사용되는 산화제의 타입에 따라, 0.5시간 내지 96시간) 동안 출발 흑연 물질(예를 들어, 천연 흑연 분말)의 분말 또는 필라멘트를 산화 액체 매질(예를 들어, 황산, 질산, 및 칼륨 퍼망가네이트의 혼합물) 중에 함침시킴으로써 얻어질 수 있다. 얻어진 흑연 산화물 입자는 이후에, GO 시트를 생산하기 위해 열적 박리 또는 초음파-유도된 박리로 처리될 수 있다.For example, graphene oxide (GO) can be removed from the starting graphite material (e.g., graphite oxide) in a reaction vessel at a desired temperature for a predetermined time (typically, depending on the nature of the starting material and the type of oxidant used, For example, natural graphite powder) in an oxidizing liquid medium (for example, a mixture of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate). The resulting graphite oxide particles can then be treated with thermal stripping or ultrasonic-induced stripping to produce a GO sheet.

초기 그래핀은 흑연 입자의 직접 초음파(또한 액체상 생산으로서 알려짐) 또는 초임계 유체 박리에 의해 생성될 수 있다. 이러한 공정은 당해 분야에 널리 공지되어 있다. 다수의 초기 그래핀 시트는 현탁액을 형성시키기 위해 계면활성제의 도움으로 물 및 다른 액체 매질에 분산될 수 있다. 화학적 발포제가 이후에 분산액(도 2에서 38) 내에 분산될 수 있다. 이러한 현탁액은 이후에, 고체 기판(예를 들어, 유리 시트 또는 Al 포일)의 표면 상에 캐스팅되거나 코팅된다. 요망되는 온도까지 가열할 때, 화학적 발포제는 휘발성 가스(예를 들어, N2 또는 CO2)를 발생시키기 위해 활성화되거나 분해되고, 이는 고체 그래핀 시트의 다른 덩어리에서 버블 또는 공극을 형성하도록 작용하여, 초기 그래핀 폼(40a)을 형성시킨다.The initial graphene can be produced by direct ultrasonic waves of graphite particles (also known as liquid phase production) or supercritical fluid separation. Such processes are well known in the art. Many initial graphene sheets can be dispersed in water and other liquid media with the aid of a surfactant to form a suspension. The chemical blowing agent may then be dispersed in the dispersion (38 in FIG. 2). This suspension is then cast or coated on the surface of a solid substrate (e.g., a glass sheet or Al foil). Upon heating to the desired temperature, the chemical blowing agent is activated or decomposed to generate volatile gases (e.g., N 2 or CO 2 ), which acts to form bubbles or voids in other agglomerates of the solid graphene sheet To form an initial graphene foam 40a.

불소화된 그래핀 또는 그래핀 불화물은 본원에서 할로겐화된 그래핀 재료 군의 일 예로서 사용된다. 불소화된 그래핀을 생산하기 위해 수행되는 2가지의 상이한 방법이 존재한다: (1) 사전합성된 그래핀의 불소화: 이러한 방법은 기계적 박리에 의해 또는 CVD 성장에 의해 제조된 그래핀을 XeF2와 같은 불소화제, 또는 F-기반 플라즈마로 처리하는 것을 수반함; (2) 다중층 흑연 플루오라이드의 박리: 흑연 플루오라이드의 기계적 박리 및 액체상 박리 둘 모두는 용이하게 달성될 수 있음[F. Karlicky 등, "Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives" ACS Nano, 2013, 7 (8), pp 6434-6464].Fluorinated graphene or graphene fluoride is used herein as an example of a group of halogenated graphene materials. There are two different methods carried out to produce fluorinated graphene: (1) Fluorination of pre-synthesized graphene: This method is a method of forming fluorine by grafting graphene produced by mechanical exfoliation or CVD growth with XeF 2 With the same fluorinating agent, or F-based plasma; (2) Peeling of multi-layer graphite fluoride: both mechanical peeling and liquid phase peeling of graphite fluoride can easily be achieved [F. Karlicky et al., " Halogenated Graphenes: Rapidly Growing Family of Graphene Derivatives " ACS Nano, 2013, 7 (8), pp 6434-6464].

고온에서 F2와 흑연의 상호작용은 공유 흑연 플루오라이드(CF)n 또는 (C2F)n을 야기시키며, 저온에서, 흑연 인터칼레이션 화합물(GIC) CxF(2 = x ≤= 24)를 형성한다. (CF)n에서, 탄소 원자는 sp3-혼성화되며, 이에 따라, 플루오로카본 층은 트랜스-연결 사이클로헥산 체어(trans-linked cyclohexane chair)로 이루어진 주름진 부분이다. (C2F)n에서, C 원자의 절반만이 불소화되며, 모든 쌍의 인접한 탄소 시트는 공유 C-C 결합에 의해 함께 연결된다. 불소화 반응에 대한 체계적인 연구는, 얻어진 F/C 비율이 거의 불소화 온도, 불소화 가스 중 불소의 부분압, 및 흑연화도, 입자 크기 및 비표면적을 포함하는, 흑연 전구체의 물리적 특징에 의존적이라는 것을 나타내었다. 불소(F2) 이외에, 다른 불소화제가 사용될 수 있지만, 입수 가능한 대부분의 문헌은 때때로 플루오라이드의 존재 하에 F2 가스로의 불소화를 포함한다.The interaction of F 2 with graphite at high temperature causes covalent graphite fluoride (CF 3) n or (C 2 F) n , and at low temperature, the graphite intercalation compound (GIC) C x F (2 = x ≤ 24 ). (CF) n , the carbon atom is sp3-hybridized, so that the fluorocarbon layer is a corrugated portion of a trans-linked cyclohexane chair. (C 2 F) n , only half of the C atoms are fluorinated, and all pairs of adjacent carbon sheets are joined together by a shared CC bond. Systematic studies of the fluorination reaction have shown that the F / C ratio obtained is almost dependent on the fluorination temperature, the partial pressure of fluorine in the fluorinated gas, and the physical properties of the graphite precursor, including the degree of graphitization, particle size and specific surface area. In addition to fluorine (F 2 ), other fluorinating agents may be used, but most of the available literature sometimes involves fluorination with F 2 gas in the presence of fluoride.

층상 전구체 물질을 개개 층 또는 수 개의 층의 상태로 박리하기 위해, 인접한 층들 간의 인력을 극복하고 층을 추가로 안정화시키는 것이 필수적이다. 이는 작용기에 의한 그래핀 표면의 공유 개질에 의해 또는 특정 용매, 계면활성제, 폴리머, 또는 공여체-수용체 방향족 분자를 사용한 비-공유 개질에 의해 달성될 수 있다. 액체상 박리의 공정은 액체 매질 중에서 흑연 불화물의 초음파 처리를 포함한다.In order to separate the layered precursor material in the form of individual layers or several layers it is necessary to overcome the attractive forces between adjacent layers and further stabilize the layer. This can be achieved by covalent modification of the graphene surface by a functional group or by non-covalent modification using a particular solvent, surfactant, polymer, or donor-acceptor aromatic molecule. The process of liquid phase exfoliation involves ultrasonication of graphite fluoride in a liquid medium.

그래핀의 질화는 그래핀 재료, 예를 들어, 그래핀 산화물을 고온(200℃ 내지 400℃)에서 암모니아에 노출시킴으로써 수행될 수 있다. 질화된 그래핀은 또한 낮은 온도에서 열수 방법에 의해, 예를 들어, 오토클레이브에서 GO 및 암모니아를 시일링함으로써 형성되고, 이후에, 온도를 150℃ 내지 250℃까지 증가시킬 수 있다. 질소 도핑된 그래핀을 합성하는 다른 방법은 그래핀 상의 질소 플라즈마 처리, 암모니아의 존재 하에 흑연 전극들 사이에서의 아크-방전, CVD 조건 하에서 그래핀 산화물의 암모니아분해, 및 상이한 온도에서 그래핀 산화물 및 우레아의 열수 처리를 포함한다.Nitriding of graphene can be performed by exposing the graphene material, for example, graphene oxide, to ammonia at high temperature (200 ° C to 400 ° C). The nitrided graphene can also be formed by hydrothermal methods at low temperatures, for example by sealing GO and ammonia in an autoclave, after which the temperature can be increased to 150 ° C to 250 ° C. Other methods of synthesizing nitrogen doped graphene include nitrogen plasma treatment on graphene, arc-discharge between graphite electrodes in the presence of ammonia, ammonia decomposition of graphene oxide under CVD conditions, and graphene oxide and Hydrothermal treatment of urea.

본 발명의 애노드의 그래핀 폼에서 공극 벽(셀 벽 또는 고체 그래핀 부분)은 화학적으로 결합되고 병합된 그래핀 평면을 함유한다. 이러한 평면 방향족 분자 또는 그래핀 평면(육각형 구조의 탄소 원자)은 물리적으로 및 화학적으로 잘 상호 연결된다. 이러한 평면의 측면 치수(길이 또는 폭)는 거대한(예를 들어, 20 nm 내지 10 ㎛ 초과), 통상적으로, 출발 흑연 입자의 최대 결정자 치수(또는 최대 구성성분 그래핀 평면 치수)보다 여러 배 또는 심지어 수십 배이다. 그래핀 시트 또는 평면은 본질적으로 병합되고/병합되거나 상호 연결되어 낮은 저항을 갖는 전자-전도 경로를 형성한다. 이는 이전에 발견되거나 개발되거나 존재할 가능성이 있음을 제시하지 않은 독특하고 신규한 부류의 물질이다.In the graphene foam of the anode of the present invention, the cavity wall (cell wall or solid graphene portion) contains chemically bonded and merged graphene planes. These planar aromatic molecules or graphene planes (hexagonal carbon atoms) are physically and chemically well interconnected. The lateral dimensions (length or width) of such planes can be large (e.g., greater than 20 nm to greater than 10 microns), typically greater than or equal to the maximum crystallite size (or maximum component graphene planar dimension) of the starting graphite particles It is dozens of times. The graphen sheet or planes are essentially merged and / or interconnected to form an electron-conducting path with low resistance. It is a unique and novel class of material that has not been previously identified, developed, or likely to be present.

그래핀 폼-보호된 애노드 물질 또는 캐소드 물질의 층을 생산하기 위해 본 발명의 공정이 어떻게 작용하는 지를 예시하기 위하여, 본 발명자는 본원에서, 2가지 예로서 그래핀 산화물(GO) 및 그래핀 불화물(GF)를 사용한다. 이러한 것은 본 청구범위를 제한하는 것으로 해석되지 않아야 한다. 각 경우에, 제1 단계는 선택적 발포제를 함유한 그래핀 분산액(예를 들어, GO + 물 또는 GF + 유기 용매, DMF)의 제조를 포함한다. 그래핀 재료가 비-탄소 원소를 함유하지 않은 초기 그래핀인 경우에, 발포제가 요구된다.In order to illustrate how the process of the present invention works to produce a layer of graphene foam-protected anode material or cathode material, the present inventors have described here two examples, graphene oxide (GO) and grafine fluoride (GF) is used. These should not be construed as limiting the scope of the claims. In each case, the first step involves the preparation of a graphene dispersion (e. G. GO + water or GF + organic solvent, DMF) containing a selective blowing agent. When the graphene material is an initial graphene containing no non-carbon element, a foaming agent is required.

단계 (b)에서, GF 또는 GO 현탁액(도 2에서 21), 그러나 또한 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자를 함유한 GF 또는 GO 현탁액은 바람직하게, 전단 응력의 영향 하에서 고체 기판 표면(예를 들어, PET 필름 또는 유리) 상의 습윤 GF 또는 GO 층(35)으로 형성된다. 이러한 전단 절차의 일 예는 코팅 기계를 이용하여 GF 또는 GO 현탁액의 박막을 캐스팅하거나 코팅한다. 이러한 절차는 고체 기판 상에 코팅되는 바니시(varnish), 페인트, 코팅, 또는 잉크의 층과 유사하다. 롤러 또는 와이퍼(wiper)는 필름이 형상화될 때, 또는 롤러/블레이드/와이퍼와 지지 기판 사이에 높은 상대적인 운동이 있을 때 전단 응력을 생성시킨다. 매우 예상치 못하게 그리고 현저하게, 이러한 전단 작용은 평면 GF 또는 GO 시트를 예를 들어, 전단 방향을 따라 잘 정렬되게 한다. 더욱 놀랍게도, 이러한 분자 정렬 상태 또는 바람직한 배향은, GF 또는 GO 현탁액 중 액체 성분이 적어도 일부 건조된 고도로 정렬된 GF 또는 GO 시트의 잘 패킹된 층을 형성하기 위해 후속하여 제거될 때, 파괴되지 않는다. 건조된 GF 또는 GO 덩어리(37a)는 면내 방향과 평면에 대한 법선 방향 사이에 높은 복굴절 계수를 갖는다.In step (b), the GF or GO suspension containing the particles of the anode active material or the cathode active material, but also the GF or GO suspension (21 in FIG. 2), is preferably applied to the solid substrate surface PET film or glass) or a GO layer 35 on the surface. An example of such a shear procedure is casting or coating a thin film of GF or GO suspension using a coating machine. This procedure is analogous to the layer of varnish, paint, coating, or ink coated on a solid substrate. The rollers or wipers create shear stress when the film is shaped, or when there is a high relative motion between the roller / blade / wiper and the support substrate. Very unexpectedly and remarkably, such shear action causes the planar GF or GO sheet to be well aligned along the shear direction, for example. More surprisingly, such molecular alignment or preferred orientation is not destroyed when the liquid component in the GF or GO suspension is subsequently removed to form a well-packed layer of highly ordered GF or GO sheet with at least partially dried. The dried GF or GO agglomerate 37a has a high birefringence coefficient between the in-plane direction and the normal direction to the plane.

일 구현예에서, 각각이 여기에서 Si 입자를 함유한 이러한 GF 또는 GO 층은 이후에, 부산물로서 휘발성 가스를 발생시키기 위해 그래핀 시트로부터 비-탄소 원소(예를 들어, F, O 등)를 제거하는 열적으로-유도된 반응 및/또는 발포제를 활성화시키도록 열처리로 처리된다. 이러한 휘발성 가스는 고체 그래핀 재료 내측에 공극 또는 버블을 발생시켜, 폼 벽 구조 내에 고체 그래핀 시트를 밀어 넣어서, 그래핀 산화물 폼(도 2에서 40b)을 형성한다. 발포제가 첨가되지 않는 경우에, 그래핀 재료에서 비-탄소 원소는 바람직하게, 그래핀 재료의 적어도 10 중량%(바람직하게, 적어도 20 중량%, 및 더욱 바람직하게, 적어도 30 중량%)를 차지한다. 제1 (초기) 열처리 온도는 통상적으로, 80℃ 초과, 바람직하게, 100℃ 초과, 더욱 바람직하게, 300℃ 초과, 더욱 더 바람직하게, 500℃ 초과이고, 1,500℃ 정도로 높을 수 있다. 발포제는 통상적으로, 80℃ 내지 300℃의 온도에서 활성화되지만, 더 높을 수 있다. 발포 절차(공극, 셀 또는 버블의 형성)는 통상적으로, 80℃ 내지 1,500℃의 온도 범위 내에서 완료된다. 매우 놀랍게도, 에지-대-에지 및 면-대-면 방식으로 그래핀 평면들(GO 또는 GF 평면들) 간의 화학적 연결 또는 병합은 비교적 낮은 열처리 온도(예를 들어, 심지어 150℃ 내지 300℃ 정도로 낮음)에서 일어날 수 있다.In one embodiment, such a GF or GO layer, each of which here contains Si particles, is subsequently treated with a non-carbon element (e.g., F, O, etc.) from the graphene sheet to generate volatile gas as a by- Treated by heat treatment to activate the thermally-induced reaction and / or blowing agent to be removed. These volatile gases generate voids or bubbles inside the solid graphene material and push the solid graphene sheet into the foam wall structure to form graphene oxide foam (40b in Fig. 2). In the case where no blowing agent is added, the non-carbon element in the graphene material preferably occupies at least 10 wt% (preferably, at least 20 wt%, and more preferably at least 30 wt%) of the graphene material . The first (initial) heat treatment temperature is typically higher than 80 占 폚, preferably higher than 100 占 폚, more preferably higher than 300 占 폚, still more preferably higher than 500 占 폚 and as high as 1,500 占 폚. The blowing agent is typically activated at a temperature of from 80 캜 to 300 캜, but may be higher. The foaming process (formation of voids, cells or bubbles) is typically completed within a temperature range of 80 ° C to 1,500 ° C. Surprisingly, the chemical connection or merging between the graphene planes (GO or GF planes) in an edge-to-edge and a face-to-face manner results in a relatively low annealing temperature (e.g., even as low as 150 占 폚 to 300 占 폚 ). ≪ / RTI >

발포된 그래핀 재료는 적어도, 제1 열처리 온도보다 현저하게 높은 제2 온도를 포함하는 추가 열처리로 처리될 수 있다.The foamed graphene material may be treated with at least a further heat treatment comprising a second temperature that is significantly higher than the first heat treatment temperature.

적절하게 프로그래밍된 열처리 절차는 단지 단일 열처리 온도(예를 들어, 단지 제1 열처리 온도), 적어도 2개의 열처리 온도(소정 시간 동안 제1 온도, 및 이후에, 제2 온도까지 상승되고 다른 소정 시간 동안 이러한 제2 온도에서 유지됨), 또는 초기 처리 온도(제1 온도) 및 최종 열처리 온도(HTT)(제2)(제1 온도보다 더 높음)를 포함하는 열처리 온도(HTT)들의 임의의 다른 조합을 포함할 수 있다. 건조된 그래핀 층이 형성되는 가장 높은 또는 최종 HTT는 3개의 별개의 HTT 방식으로 분할될 수 있다:A suitably programmed heat treatment procedure may be carried out at only a single heat treatment temperature (e.g., only a first heat treatment temperature), at least two heat treatment temperatures (a first temperature for a predetermined time, (Or maintained at this second temperature), or any other combination of heat treatment temperatures (HTT) comprising an initial treatment temperature (first temperature) and a final heat treatment temperature (HTT) (second) . The highest or final HTT in which the dried graphene layer is formed can be divided into three distinct HTT schemes:

방식 1(80℃ 내지 300℃): 이러한 온도 범위(열적 환원 방식 및 또한 존재하는 경우 발포제에 대한 활성화 제제)에서, GO 또는 GF 층은 주로 열적으로 유도된 환원 반응을 겪게 되어, 산소 함량 또는 불소 함량을 통상적으로 20% 내지 50%(GO 중 O의) 또는 10% 내지 25%(GF 중 F의)에서 대략 5% 내지 6%로 감소시킨다. 이러한 처리는 대략 0.6 nm 내지 1.2 nm(건조 시)에서 대략 0.4 nm까지 폼 벽에서 그래핀간 간격의 감소, 및 비중 단위 당 200 W/mK까지의 열전도도의 증가 및/또는 비중 단위 당 2,000 S/cm까지의 전기전도도의 증가를 야기시킨다. (그래핀 폼 물질의 다공도의 수준, 및 이에 따라, 비중의 수준을 다양하게 할 수 있고, 동일한 그래핀 재료를 제공하는 경우에, 열전도도 및 전기 전도도 둘 모두가 비중에 따라 다양하게 하기 때문에, 이러한 성질 값은 공정한 비교를 용이하게 하기 위해 비중에 의해 나뉘어져야 한다.) 이러한 낮은 온도 범위에서도, 그래핀 시트들 간에 일부 화학적 연결이 일어난다. GO간 또는 GF간 평면 간격은 비교적 크게 유지된다(0.4 nm 또는 보다 큼). 다수의 O- 또는 F-함유 작용기가 존재한다.Method 1 (80 캜 to 300 캜): In this temperature range (the thermal reduction method and, if present, the activating agent for the blowing agent), the GO or GF layer undergoes mainly a thermally induced reduction reaction, The content is typically reduced from 20% to 50% (of O in GO) or from 10% to 25% (of F in GF) to about 5% to 6%. This treatment can result in a reduction in the spacing between grains in the foam wall of approximately 0.6 nm to 1.2 nm (at dry) to approximately 0.4 nm and an increase in thermal conductivity of up to 200 W / mK per specific gravity unit and / cm. < / RTI > (Since the degree of porosity of the graphene foam material, and thus the level of specific gravity can vary, and both the thermal conductivity and the electrical conductivity vary with specific gravity when providing the same graphene material, These property values should be divided by specific gravity to facilitate a fair comparison.) Even at these low temperature ranges, some chemical linkage occurs between graphene sheets. The planar spacing between GO or GF is kept relatively large (0.4 nm or greater). There are a number of O- or F-containing functionalities.

방식 2(300℃ 내지 1,500℃): 중요한 사건이 이러한 온도 범위에서 일어난다: 이러한 사건은 그래핀 폼 구조의 형성과 관련이 있다. 이러한 화학적 연결 방식에서, 인접한 GO 또는 GF 시트들 간의 광범위한 화학적 조합, 중합, 및 가교가 일어난다. 산소 또는 불소 함량은 화학적 연결 후에 통상적으로 1.0% 미만(예를 들어, 0.7%)까지 감소되어, 그래핀간 간격의 대략 0.345 nm까지의 감소를 야기시킨다. 이는 통상적으로 흑연을 개시하기 위해 2,500℃ 정도로 높은 온도를 필요로 하는 통상적인 흑연화 가능한 물질(예를 들어, 탄화된 폴리이미드 필름)과는 극히 대조적으로, 일부 초기 재-흑연화가 이미 이러한 저온에서 개시되었음을 의미한다. 이는 본 발명의 그래핀 폼 및 이의 생산 공정의 다른 별개의 특징이다. 이러한 화학적 연결 반응은 비중 단위 당 250 W/mK까지의 열전도도의 증가, 및/또는 비중 단위 당 2,500 S/cm 내지 4,000 S/cm까지의 전기전도도의 증가를 야기시킨다.Method 2 (300 ° C to 1,500 ° C): Important events occur in this temperature range: these events are related to the formation of a graphene foam structure. In such chemical linkages, extensive chemical combinations, polymerization, and crosslinking occur between adjacent GO or GF sheets. Oxygen or fluorine content is typically reduced to less than 1.0% (e.g., 0.7%) after chemical linkage, resulting in a reduction in graphene spacing of up to approximately 0.345 nm. This is in sharp contrast to conventional graphitizable materials (e.g., carbonized polyimide films) that typically require temperatures as high as 2,500 ° C to initiate graphite, so that some initial re- It means that it has been started. This is another distinctive feature of the graphene foam of the present invention and its production process. This chemical coupling reaction results in an increase in thermal conductivity up to 250 W / mK per specific gravity unit and / or an increase in electrical conductivity up to 2500 S / cm to 4,000 S / cm per specific gravity unit.

방식 3(1,500℃ 내지 2,500℃): 이러한 정렬 및 재-흑연화 방식에서, 광범위한 흑연화 또는 그래핀 평면 병합이 일어나서, 폼 벽에서 개선된 구조적 정렬 정도를 현저하게 개선시킨다. 결과적으로, 산소 또는 불소 함량은 통상적으로 0.01%까지 감소되며, 그래핀간 간격은 대략 0.337 nm까지 감소된다(실제 HTT 및 시간 길이에 따라, 1% 내지 대략 80%의 흑연화도를 달성함). 개선된 정렬 정도는 또한, 비중 단위 당 350 W/mK 초과까지의 열전도도의 증가, 및/또는 비중 단위 당 3,500 S/cm 초과까지의 전기전도도의 증가에 의해 반영된다.Method 3 (1,500 ° C to 2,500 ° C): In this sorting and re-graphitizing mode, extensive graphitization or graphene flattening occurs, which significantly improves the degree of structural alignment in the foam wall. As a result, the oxygen or fluorine content is typically reduced to 0.01% and the graphene spacing is reduced to approximately 0.337 nm (achieving a graphitization degree of 1% to about 80%, depending on the actual HTT and time length). The improved degree of alignment is also reflected by an increase in thermal conductivity up to 350 W / mK per specific gravity unit, and / or an increase in electrical conductivity up to 3,500 S / cm per specific gravity unit.

방식 4(2,500℃ 초과): 재흑연화 또는 재결정화.Method 4 (above 2,500 ° C): Re-graphitization or recrystallization.

여기에 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질을 함유한 본 발명의 그래핀 폼 구조는 건조된 GO 또는 GF 층을, 적어도 제1 방식을 포함하는 온도 프로그램(통상적으로, 온도가 500℃를 초과하지 않는 경우에 이러한 온도 범위에서 1시간 내지 4시간을 필요로 함), 더욱 통상적으로, 제1의 2개의 방식(1시간 내지 2시간이 바람직함), 더욱 더 통상적으로 제1의 3개의 방식(방식 3에서 바람직하게는 0.5시간 내지 2.0시간)을 포함하고, 4개 방식 모두(0.2시간 내지 1시간 동안 방식 4를 포함하고, 이는 가장 높은 전도도를 달성하기 위해 실행될 수 있음)를 포함할 수 있는 온도 프로그램으로 열처리함으로써 얻어질 수 있다.The graphene foam structure of the present invention containing an anode active material or a cathode active material therein is formed by applying a dried GO or GF layer to a temperature program including at least a first method (typically, More preferably from 1 hour to 4 hours in the temperature range), more typically the first two modes (preferably from 1 hour to 2 hours), more usually the first three modes And 0.5 hours to 2.0 hours), and all four methods (including Method 4 for 0.2 hour to 1 hour, which can be performed to achieve the highest conductivity) .

그래핀 재료가 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로 이루어진 비-초기 그래핀 재료의 군으로부터 선택되고, 최대 열처리 온도(예를 들어, 제1 열처리 온도 및 제2 열처리 온도 둘 모두)가 2,500℃ 미만인 경우에, 얻어진 고체 그래핀 폼은 통상적으로, 0.01 중량% 내지 2.0 중량%의 비-탄소 원소의 함량을 함유한다(비-초기 그래핀 폼).Wherein the graphene material is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, chemically graphene graphene, Or a combination thereof, and when the maximum heat treatment temperature (e.g., both the first heat treatment temperature and the second heat treatment temperature) is less than 2,500 占 폚, the obtained solid graphene foam Typically contains a content of non-carbon elements of from 0.01 wt% to 2.0 wt% (non-initial graphene foam).

X-선 회절 패턴은 CuKcv 방사선이 장착된 X-선 회절기로 얻어졌다. 회절 피크의 이동 및 확대(broadening)는 규소 분말 표준물을 사용하여 보정되었다. 흑연화도(g)는 메링(Mering)의 방정식, d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1 - g)(상기 식에서, d 002는 nm 단위의 흑연 또는 그래핀 결정의 층간 간격임)를 이용하여 X-선 패턴으로부터 계산되었다. 이러한 방정식은, d 002가 대략 0.3440 nm 이하일 때에만 타당하다. 0.3440 nm보다 높은 d 002를 갖는 그래핀 폼 벽은 그래핀간 간격을 증가시키기 위해 스페이서로서 작용하는 산소- 또는 불소-함유 작용기(예를 들어, 그래핀 분자 평면 표면 또는 에지 상의 -F, -OH, >O, 및 -COOH)의 존재를 반영한다.The X-ray diffraction pattern was obtained with an X-ray diffractometer equipped with CuKcv radiation. The shift and broadening of the diffraction peaks were corrected using silicon powder standards. The degree of graphitization (g) is calculated using the equation of Mering, d 002 = 0.3354 g + 0.344 (1-g) (where d 002 is the interlayer spacing of graphite or graphene crystals in nm) Line pattern. This equation is valid only when d 002 is approximately 0.3440 nm or less. Graphene foam walls with d 002 higher than 0.3440 nm may be coated with an oxygen- or fluorine-containing functional group that acts as a spacer (e.g., -F, -OH on the graphene molecular plane surface or edge, > O, and -COOH).

그래핀 및 통상적인 흑연 결정의 폼 벽에서 적층되고 결합된 그래핀 평면의 정렬 정도를 특징화하는 데 사용될 수 있는 다른 구조 지수는 "모자이크 확산(mosaic spread)"이며, 이는 (002) 또는 (004) 반사의 록킹 곡선(rocking curve)(X-선 회절 강도)의 최대 반값 폭에 의해 표현된다. 이러한 정렬 정도는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 그레인 크기), 결정립계 및 다른 결함의 양, 및 바람직한 그레인 배향 정도를 특징화한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2 내지 0.4의 모자이크 확산 값을 가짐으로써 특징된다. 대부분의 본 발명의 그래핀 벽은 (2,500℃ 이상의 열처리 온도(HTT)로 생산되는 경우) 0.2 내지 0.4의 이러한 범위의 모자이크 확산 값을 갖는다. 그러나, 일부 값은, HTT가 1,500℃ 내지 2,500℃인 경우 0.4 내지 0.7의 범위이고, HTT가 300℃ 내지 1,500℃인 경우 0.7 내지 1.0의 범위이다.Another structural index that can be used to characterize the degree of alignment of graphene planes stacked and bonded in the foam wall of graphene and conventional graphite crystals is "mosaic spread" ) Maximum reflection width of the rocking curve of the reflection (X-ray diffraction intensity). This degree of alignment characterizes the graphite or graphene crystal size (or grain size), the grain size and the amount of other defects, and the desired degree of grain orientation. Almost complete single crystals of graphite are characterized by having a mosaic diffusion value of 0.2 to 0.4. Most of the inventive graphene walls have a mosaic diffusion value in this range of 0.2 to 0.4 (when produced at a heat treatment temperature (HTT) of 2,500 占 폚 or more). However, some of the values are in the range of 0.4 to 0.7 when HTT is 1,500 ° C to 2,500 ° C, and 0.7 to 1.0 when HTT is 300 ° C to 1,500 ° C.

도 4에는 단지 2개의 정렬된 GO 분자가 일 예로서 도시되는 경우 타당한 화학적 연결 메커니즘이 예시되며, 다수의 GO 분자는 함께 화학적으로 연결되어 폼 벽을 형성할 수 있다. 또한, 화학적 연결은 또한, GO, GF, 및 화학적으로 작용화된 그래핀 시트에 대해 단지 에지-대-에지가 아닌, 면-대-면으로 일어날 수 있다. 이러한 연결 및 병합 반응은 분자가 화학적으로 병합되고, 연결되고, 하나의 단일 독립체(entity) 내에 통합되는 방식으로 진행한다. 그래핀 시트(GO 또는 GF 시트)는 그 자체의 본래 정체성을 완전히 잃고, 이러한 것은 더 이상 별개의 시트/판/박편이 아니다. 얻어진 생성물은 개개 그래핀 시트의 단순 집합체가 아니고 본질적으로 무한한 분자량을 갖는 본질적으로 상호 연결된 자이언트 분자의 네트워크인 단일 독립체이다. 이는 또한 그래핀 다결정으로서 기술될 수 있다(수 개의 그레인을 가지지만, 통상적으로, 식별 가능하고 잘 규정된 결정립계를 갖지 않음). 모든 구성성분 그래핀 평면은 측면 치수(길이 및 폭)가 매우 크며, HTT가 충분히 높은 경우(예를 들어, 1,500℃ 초과 또는 훨씬 더 높음), 이러한 그래핀 평면들은 본질적으로 서로 함께 결합된다. 본 발명의 애노드 층 또는 캐소드 층의 그래핀 폼은 종래에 교시되거나 암시되지 않은 하기 독특하고 신규한 특징을 갖는다. 이러한 특징은 이러한 전극 층(그 안에 임베딩된 활물질을 가짐)을 또한 집전체로서 기능하게 만들어서, 애노드 또는 캐소드에서 별도의 집전체를 가질 필요가 없다:Figure 4 illustrates a suitable chemical linking mechanism where only two aligned GO molecules are shown as an example, and multiple GO molecules can be chemically linked together to form a foam wall. In addition, the chemical linkage can also occur on a face-to-face basis, not just an edge-to-edge for GO, GF, and chemically functionalized graphene sheets. This linking and merging reaction proceeds in such a way that the molecules are chemically merged, linked, and integrated into one single entity. Grain sheets (GO or GF sheets) completely lose their original identity, which is no longer a separate sheet / plate / flake. The resulting product is not a simple aggregate of individual graphene sheets but a single entity that is a network of intrinsically interconnected giant molecules with essentially infinite molecular weights. It may also be described as a graphene polycrystalline (having several grains, but typically not having an identifiable and well-defined grain boundaries). All component graphene planes are very large in side dimension (length and width) and when the HTT is high enough (e.g., above 1,500 ° C or much higher), these graphene planes are essentially bonded together. The graphene foam of the anode or cathode layer of the present invention has the following unique and novel characteristics that have not been taught or implied in the prior art. This feature does not require that such an electrode layer (with the active material embedded therein) to also function as a current collector to have a separate current collector at the anode or cathode:

(1) SEM, TEM, 선택된 영역 회절, X-선 회절, AFM, 라만 분광법 및 FTIR의 조합을 이용한 심층 연구에서는, 그래핀 폼 벽이 여러 거대한 그래핀 평면으로 이루어짐을 명시하고 있다(통상적으로 20 nm 훨씬 초과, 더욱 통상적으로, 100 nm 훨씬 초과, 종종 1 ㎛ 훨씬 초과, 및 여러 경우에, 10 ㎛ 훨씬 초과, 또는 심지어 100 ㎛ 훨씬 초과 의 길이/폭을 가짐). 이러한 자이언트 그래핀 평면들은 종종, 최종 열처리 온도가 2,500℃보다 낮은 경우에, 공유 결합뿐만 아니라 반 데르 발스력(통상적인 흑연 결정자에서와 같음)을 통해 두께 방향(결정학적 c-축 방향)을 따라 적층되고 결합된다. 이러한 경우에, 이론에 의해 제한하고자 하는 것은 아니지만, 라만 및 FTIR 분광법 연구는 그래핀 면에서 통상적인 sp2가 아닌, sp2(지배적) 및 sp3(존재하지만 약함) 전자 구성의 공존을 지시하는 것으로 나타낸다.(1) In an in-depth study using a combination of SEM, TEM, selected region diffraction, X-ray diffraction, AFM, Raman spectroscopy and FTIR, it is stated that the graphene foam walls consist of several giant graphene planes nm, much more typically more than 100 nm, sometimes much more than 1 μm, and in many cases, much more than 10 μm, or even much more than 100 μm. These giant graphene planes are often formed along the thickness direction (crystallographic c-axis direction) through van der Waals forces (as in conventional graphite crystallizers) as well as covalent bonds when the final heat treatment temperature is lower than 2,500 ° C Laminated and bonded. In this case, although not wishing to be bound by theory, Raman and FTIR spectroscopy studies indicate coexistence of sp 2 (dominant) and sp 3 (present but weak) electron configurations, rather than the usual sp 2 in graphene .

(2) 그래핀 폼 벽에서 이러한 상호연결된 큰 그래핀 면은 고도로 전도성이고 탄성인 그래핀의 통합 3D 네트워크를 형성하여, 폼 공극을 가역적으로 그리고 배터리에서 상당한 애노드 전극 팽창 또는 수축 없이 공극에 박힌 애노드 활물질 입자와 동일하게 팽창하고 수축할 수 있게 한다.(2) These interconnected large graphene surfaces in the graphene foam wall form an integrated 3D network of highly conductive and resilient graphene, which is capable of reversing the foam voids and forming anodes in the voids without significant anode electrode expansion or contraction in the battery Thereby expanding and contracting the same as the active material particles.

(3) 이러한 그래핀 폼 벽은 별개의 박편/판을 수지 결합제, 링커, 또는 접착제와 함께 접착 또는 결합시킴으로써 이루어지지 않는다. 대신에, GO 분산액으로부터의 GO 시트(분자) 또는 GF 분산액으로부터의 GF 시트는 임의의 외부적으로 첨가된 링커 또는 결합제 분자 또는 폴리머를 사용하지 않으면서, 서로 공유 결합의 연결 또는 형성을 통해 통합된 그래핀 독립체로 병합된다. 이러한 애노드 층을 특징으로 하는 리튬 배터리에 대하여, 리튬을 저장할 수 없는, 수지 결합제 또는 전도성 첨가제와 같은, 비-활물질을 갖는 것이 요구되지 않는다. 이는 애노드에서 감소된 양의 비-활물질 또는 증가된 양의 활물질을 시사하여, 총 애노드 중량 당 비용량(mAh/g, 복합물의)을 효과적으로 증가시킨다.(3) Such graphene foam walls are not made by bonding or bonding separate flakes / plates together with resin binders, linkers, or adhesives. Instead, the GO sheet (molecule) from the GO dispersion or the GF sheet from the GF dispersion can be incorporated into the GF sheet through a covalent linkage or formation of covalent bonds, without using any externally added linker or binder molecules or polymers It is merged into a graphene entity. For a lithium battery characterized by such an anode layer, it is not required to have a non-active material, such as a resin binder or a conductive additive, which can not store lithium. This suggests a reduced amount of non-active or increased amount of active material in the anode, effectively increasing the specific capacity per total anode weight (in mAh / g, of the composite).

(4) 그래핀 폼 공극 벽은 통상적으로, 불완전한 또는 불량하게 규정된 결정립계를 갖는 큰 그래핀 그레인으로 이루어진 다결정이다. 이러한 독립체는 GO 또는 GF 현탁액으로부터 유도되며, 이는 또한, 본래 다수의 흑연 결정자를 갖는 천연 흑연 또는 인공 흑연 입자로부터 얻어진다. 화학적으로 산화되거나 불소화되기 전에, 이러한 출발 흑연 결정자는 초기 길이(결정학적 a-축 방향에서 L a ), 초기 폭(b-축 방향에서 L b ), 및 두께(c-축 방향에서 L c )를 갖는다. 산화 또는 불소화 시에, 이러한 초기 별개의 흑연 입자들은 상당한 농도의 에지- 또는 표면-함유 작용기(예를 들어, -F, -OH, -COOH 등)를 갖는 고도로 방향족인 그래핀 산화물 또는 그래핀 불화물 분자로 화학적으로 변형된다. 현탁액에서 이러한 방향족 GO 또는 GF 분자는 흑연 입자 또는 박편의 일부인 이의 본래 정체성을 잃게 된다. 현탁액으로부터 액체 성분의 제거 시에, 얻어진 GO 또는 GF 분자는 본질적으로 비정질 구조를 형성한다. 열처리 시에, 이러한 GO 또는 GF 분자는 폼 벽을 구성하는 단일 또는 모놀리식 그래핀 독립체 내에 화학적으로 병합되고 연결된다. 이러한 폼 벽은 고도로 정렬된다.(4) Grainfill void walls are typically polycrystals of large graphene grains with incomplete or poorly defined grain boundaries. These entities are derived from GO or GF suspensions, which are also obtained from natural graphite or artificial graphite particles which inherently have a large number of graphite crystallites. These starting graphite crystallites have an initial length ( L a in the crystallographic a -axis direction), an initial width ( L b in the b -axis direction), and a thickness ( L c in the c -axis direction) before being chemically oxidized or fluorinated, . Upon oxidation or fluorination, these initial distinct graphite particles are highly aromatic graphene oxide or graphene fluoride having a significant concentration of edge- or surface-containing functional groups (e.g., -F, -OH, -COOH, etc.) It is chemically modified into a molecule. In the suspension these aromatic GO or GF molecules lose their original identity as a part of the graphite particles or flakes. Upon removal of the liquid component from the suspension, the resulting GO or GF molecules form an essentially amorphous structure. Upon heat treatment, such GO or GF molecules are chemically incorporated and linked into a single or monolithic graphene entity that constitutes the foam wall. These foam walls are highly aligned.

폼 벽에서 얻어진 단일 그래핀 독립체는 통상적으로 본래 결정자의 L a L b 보다 상당히 큰 길이 또는 폭을 갖는다. 이러한 그래핀 폼 벽 독립체의 길이/폭은 본래 결정자의 L a L b 보다 상당히 크다. 심지어, 다결정질 그래핀 벽 구조에서 개개 그레인은 본래 결정자의 L a L b 보다 상당히 큰 길이 또는 폭을 갖는다.The single graphene solids obtained in the foam wall typically have a length or width considerably greater than the original crystallites L a and L b . The length / width of this graphene foam wall entity is considerably larger than the original crystallites L a and L b . Even in the polycrystalline graphene wall structure, the individual grains have a length or width considerably greater than the original crystallites L a and L b .

(5) 그래핀 면의 큰 길이 및 폭은 폼 벽이 높은 기계적 강도 및 탄성을 갖게 한다. 비교 실험에서, 본 발명자는 이러한 특징 없이(즉, 그래핀 면의 화학적 병합 없음), 별개의 그래핀 시트의 집합체로 이루어진 보편적으로 제조된 그래핀 폼은 상대적으로 약하고, 깨지기 쉽고, 비-탄성적(변형은 가역적이지 않음)이라는 것을 관찰한다.(5) The large length and width of the graphene plane make the foam wall have high mechanical strength and elasticity. In comparative experiments, we have found that commonly produced graphene foams made of aggregates of separate graphene sheets without such features (i.e., without chemical incorporation of graphene faces) are relatively weak, fragile, non-elastic (The deformation is not reversible).

(6) 이러한 독특한 화학적 조성(산소 또는 불소 함량 포함), 모폴로지, 결정 구조(그래핀간 간격을 포함함), 및 구조적 특징(예를 들어, 높은 배향 정도, 적은 결함, 불완전한 결정립계, 화학적 결합, 및 그래핀 시트들 사이의 갭 부재, 및 그래핀 평면에서 실질적으로 중단 없음)으로 인하여, GO- 또는 GF-유도된 그래핀 폼은 우수한 열전도도, 전기전도도, 기계적 강도 및 강성(탄성 계수)의 독특한 조합을 갖는다.(6) the presence of such unique chemical composition (including oxygen or fluorine content), morphology, crystal structure (including intergranular spacing), and structural features (e.g., high degree of orientation, small defects, incomplete grain boundaries, Gap- or GF-induced graphene foams have a unique characteristic of good thermal conductivity, electrical conductivity, mechanical strength and stiffness (modulus of elasticity), due to the absence of a gap between the graphene sheets and virtually no interruption in the graphene plane .

하기 실시예는 본 발명을 실행하기 위한 최상의 모드에 관한 일부 특정 세부 사항을 예시하기 위해 이용되고, 본 발명의 범위를 한정하는 것으로 해석되어서는 안된다.The following examples are used to illustrate some specific details of the best mode for carrying out the invention and are not to be construed as limiting the scope of the invention.

실시예 1: 다양한 배터리 셀의 평가 Example 1: Evaluation of various battery cells

전기화학적 시험을 위하여, 수 개의 타입의 애노드 및 캐소드를 제조하였다. 예를 들어, Cu 포일의 시트(애노드 집전체로서)에 대해 폼(여기에 임베딩된 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질을 포함함)을 간단하게 롤-가압함으로써 층-타입의 애노드 또는 캐소드를 제조하였다. 애노드 활물질을 함유한 일부 폼 샘플을 별도의 Cu 포일 집전체를 사용하지 않고 애노드 전극으로서 사용하였다. 캐소드 활물질을 함유한 일부 폼 샘플을 별도의 Al 포일 집전체를 사용하지 않고 캐소드 전극으로서 사용하였다.For electrochemical testing, several types of anodes and cathodes were prepared. For example, a layer-type anode or cathode was prepared by simply roll-pressing a foam (including an anode active material or a cathode active material embedded therein) against a sheet of a Cu foil (as the anode current collector). Some foam samples containing the anode active material were used as the anode electrode without using a separate Cu foil current collector. Some foam samples containing the cathode active material were used as cathode electrodes without using a separate Al foil current collector.

비교를 위하여, 또한, 통상적인 전극을 제조하기 위하여 슬러리 코팅을 사용하였다. 예를 들어, N-메틸-2-피롤리돈(NMP)에 용해된 85 중량%의 활물질(SnO2 입자, 7 중량%의 아세틸렌 블랙(Super-P), 및 8 중량%의 폴리비닐리덴 불화물(PVDF, 5 중량%의 고형물 함량) 결합제를 혼합함으로써 작업 전극을 제조하였다. Cu 포일 상에 슬러리를 코팅한 후에, 전극을 진공 중, 120℃에서 2시간 동안 건조시켜 가압 전에 용매를 제거하였다.For comparison, a slurry coating was also used to make conventional electrodes. For example, 85 wt% of active material (SnO 2 particles, 7 wt% of acetylene black (Super-P), and 8 wt% of polyvinylidene fluoride (NMP) dissolved in N-methyl- After the slurry was coated on the Cu foil, the electrode was dried in vacuo at 120 DEG C for 2 hours to remove the solvent before pressurization.

이후에, 전극을 디스크(Φ = 12 mm)로 절단하고, 진공 중, 100℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 전기화학적 측정을 상대/기준 전극으로서 리튬 금속(일 예로서), 분리막으로서 Celgard 2400 멤브레인, 및 (전해질의 일 예로서) 에틸렌 카르보네이트(EC)와 디에틸 카르보네이트(DEC)의 혼합물(EC-DEC, 1:1 v/v)에 용해된 1 M LiPF6 전해질 용액을 갖는 CR2032(3 V) 코인-타입 셀을 이용하여 수행하였다. 다양한 애노드 재료 조성물 및 캐소드 재료 조성물을 평가하였다. 셀 어셈블리를 아르곤-충전 글로브 박스에서 수행하였다. CV 측정을 전기화학적 워크스테이션을 이용하여 1 mV/s 내지 100 mV/s의 스캐닝 속도(scanning rate)로 수행하였다. 다양한 셀의 전기화학적 성능을 또한 LAND 전기화학적 워크스테이션을 이용하여, 50 mA/g 내지 1,000 mA/g의 전류 밀도에서 정전류 충전/방전 사이클링에 의해 평가하였다. 전체-셀 파우치를 또한 제조하고 시험하였다.Thereafter, the electrode was cut into disks (? = 12 mm) and dried in vacuum at 100 占 폚 for 24 hours. Electrochemical measurements were made using a lithium metal (as an example) as a counter / reference electrode, a Celgard 2400 membrane as a separator, and a mixture of ethylene carbonate (EC) and diethyl carbonate (DEC) (3 V) coin-type cell with a 1 M LiPF 6 electrolyte solution dissolved in a 1: 1 (v / v EC-DEC, 1: 1 v / v) Various anode material compositions and cathode material compositions were evaluated. The cell assembly was run in an argon-filled glove box. CV measurements were performed with an electrochemical workstation at a scanning rate of 1 mV / s to 100 mV / s. The electrochemical performance of various cells was also assessed by constant current charge / discharge cycling at a current density of 50 mA / g to 1,000 mA / g using a LAND electrochemical workstation. All-cell pouches were also prepared and tested.

하기 저-전압 셀의 예는 센서, 소형 구동기, 소형 보청기(hearing aid)(소형 의료 장치의 일 예), 소형 무선 회로, 웨어러블 장치, 등에 연결될 수 있다(그리고, 본 발명자의 실험실에서 연결되었다).Examples of the following low-voltage cells may be connected to a sensor, a miniature driver, a hearing aid (an example of a small medical device), a small radio circuit, a wearable device, and the like (and connected in our lab) .

실시예 2: 저-전압 Al-S 셀(수성 또는 유기 전해질) Example 2: Low-voltage Al-S cell (aqueous or organic electrolyte)

전기화학적 반응 관점으로부터, 황(S)은 레독스 반응 동안 2개의 전극을 수용/제공할 수 있는 2가 재료이다. 실제 용량은 대략 1,980 mAh/㎤이다. 알루미늄 애노드와 쌍을 이루는 경우에, 출력 전압은 약 0.73 V인 것으로 확인되었다(도 5). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 2.1%이다.From the electrochemical reaction point of view, sulfur (S) is a divalent material capable of accepting / providing two electrodes during the redox reaction. The actual capacity is approximately 1,980 mAh / cm3. When paired with an aluminum anode, the output voltage was found to be about 0.73 V (FIG. 5). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 2.1%.

Figure pct00001
Figure pct00001

실시예 3: 저-전압 Li-P 셀 Example 3: Low-voltage Li-P cell

M2(M2 = P)는 레독스 반응 동안 3개의 전극을 수용/제공할 수 있는 3가 재료이다. 실제 용량은 100% DoD에서 대략 2,371 mAh/㎤이다(도 6). 리튬 애노드와 쌍을 이루는 경우에, 이는 약 0.32 V의 출력 전압을 제공하였다. 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 14%이다. 캐소드에 20 중량%의 그래핀이 존재하는 경우에, 방전 곡선은 전체 0.1 볼트까지 상향 이동되었으며, 기울기는 상당히 감소되었다(더욱 안정한 전압 출력). 이러한 예상치 못한 개선은 매우 유익한 것이다.M 2 (M 2 = P) is a trivalent material capable of accepting / providing three electrodes during the redox reaction. The actual capacity is approximately 2,371 mAh / cm3 at 100% DoD (Fig. 6). In the case of a pair with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.32 V. The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 14%. When 20 wt% graphene was present in the cathode, the discharge curve was moved up to 0.1 volt total, and the slope was significantly reduced (more stable voltage output). This unexpected improvement is very beneficial.

Figure pct00002
Figure pct00002

실시예 4: 저-전압 Li-SnO2 Example 4: Low-voltage Li-SnO 2 cell

M4(화합물 AyBz = SnO2)는 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 방전 곡선은 2개의 영역, 즉, 레벨 플라토(level plateau) 및 기울기 곡선으로 이루어진다(도 7). 기울기 곡선의 실제 용량은 100% DoD에서 대략 6,157 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이루고 단지 기울기 영역이 사용될 때, 이는 약 0.35 V의 출력 전압을 제공하였다. 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 68%이다. 그러나, 비용량이 너무 크기 때문에 전압 변동((Vi-Vf)/Vi)이 ± 10% 이하인 Vf를 확인할 수 있다.M 4 (compound A y B z = SnO 2 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The discharge curve consists of two areas, a level plateau and a slope curve (Fig. 7). The actual capacity of the slope curve is approximately 6,157 mAh / cm3 at 100% DoD. When paired with the lithium anode and only the tilt region was used, it provided an output voltage of about 0.35 V. The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 68%. However, since the cost amount is too large, Vf having a voltage fluctuation ((Vi-Vf) / Vi) of ± 10% or less can be confirmed.

Figure pct00003
Figure pct00003

실시예 5: 저-전압 Na-SnO2 Example 5: Low-voltage Na-SnO 2 cell

M4(화합물 AyBz = SnO2)는 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 방전 곡선은 2개의 영역, 즉, 레벨 플라토 및 기울기 곡선으로 이루어진다(도 8). 실제 용량은 100% DoD에서 대략 3,315 mAh/㎤이다. 나트륨 애노드와 쌍을 이루고 플라토 영역(plateau region)만 사용되는 경우에, 이는 약 0.55 V의 출력 전압을 제공하였다. 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 5%이다.M 4 (compound A y B z = SnO 2 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The discharge curve is composed of two regions, that is, a level plateau and a slope curve (Fig. 8). The actual capacity is approximately 3,315 mAh / cm3 at 100% DoD. When paired with the sodium anode and only the plateau region was used, it provided an output voltage of about 0.55 V. The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 5%.

Figure pct00004
Figure pct00004

실시예 6: 저-전압 Li-Sb 셀 Example 6: Low-voltage Li-Sb cell

M7(Sb)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 3,355 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.80 V의 출력 전압을 제공하였다(도 9). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 2.4%이다.M 7 (Sb) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 3,355 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.80 V (Figure 9). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 2.4%.

Figure pct00005
Figure pct00005

실시예 7: 저-전압 Na-Sb 셀 Example 7: Low-voltage Na-Sb cell

M7(Sb)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 3,355 mAh/㎤이다. 나트륨 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.47 V의 출력 전압을 제공하였다(도 10). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 2.4%이다.M 7 (Sb) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 3,355 mAh / cm3. When paired with the sodium anode, this provided an output voltage of about 0.47 V (FIG. 10). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 2.4%.

Figure pct00006
Figure pct00006

실시예 8: 저-전압 Li-Fe3O4 Example 8: Low-voltage Li-Fe 3 O 4 cell

M8(화합물 AyBz = Fe3O4)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 3,650 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.83 V의 출력 전압을 제공하였다(도 11). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 3.3%이다.M 8 (compound A y B z = Fe 3 O 4 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 3,650 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.83 V (FIG. 11). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 3.3%.

Figure pct00007
Figure pct00007

실시예 9: 저-전압 Na-Fe3O4 Example 9: Low-voltage Na-Fe 3 O 4 cell

M8(화합물 AyBz = Fe3O4)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 3,650 mAh/㎤이다. 나트륨 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.5 V의 출력 전압을 제공하였다(도 12). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 3.3%이다.M 8 (compound A y B z = Fe 3 O 4 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 3,650 mAh / cm3. When paired with the sodium anode, this provided an output voltage of about 0.5 V (Figure 12). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 3.3%.

Figure pct00008
Figure pct00008

실시예 10: 저-전압 Li-Sn 셀 Example 10: Low-voltage Li-Sn cell

M9(Sn)는 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 5,818 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.42 V의 출력 전압을 제공하였다(도 13). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 48%이다.M 9 (Sn) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 5,818 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.42 V (Figure 13). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 48%.

Figure pct00009
Figure pct00009

실시예 10: 저-전압 Li-Mn3O4 및 그래핀-개질된 Li-Mn3O4 Example 10: Low-voltage Li-Mn 3 O 4 and graphene-modified Li-Mn 3 O 4 cells

M10(화합물 AyBz = Mn3O4)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 3,615 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.32 V의 출력 전압을 제공하였다(도 14). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 6.5%이다. 캐소드 활물질(Mn3O4의 나노입자)이 질화된 그래핀 시트에 결합되는 경우에, 셀 출력 전압은 더욱 유용한 범위까지 이동되며, 기울기는 또한 감소된다(보다 더 플라토 곡선).M 10 (compound A y B z = Mn 3 O 4 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 3,615 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.32 V (Figure 14). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is +/- 6.5%. When the cathode active material (nanoparticles of Mn 3 O 4 ) is bonded to the nitrided graphene sheet, the cell output voltage is shifted to a more useful range, and the slope is also reduced (more plasto curves).

Figure pct00010
Figure pct00010

실시예 11: 저-전압 Li-Al 셀 Example 11: Low-voltage Li-Al cell

M11(Al)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 2,748 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.30 V의 출력 전압을 제공하였다(도 15). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 1.8%이다.M 11 (Al) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 2,748 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.30 V (Figure 15). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 1.8%.

Figure pct00011
Figure pct00011

실시예 12: 저-전압 Li-MoO3 Example 12: Low-voltage Li-MoO 3 cell

M12(화합물 AyBz = MoO3)는 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 3,503 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.41 V의 출력 전압을 제공하였다(도 16). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 14%이다.M 12 (compound A y B z = MoO 3 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 3,503 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.41 V (Figure 16). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 14%.

Figure pct00012
Figure pct00012

실시예 13: 저-전압 Li-MoS2 Example 13: Low-voltage Li-MoS 2 cell

M13(화합물 AyBz = MoS2)은 레독스 반응 동안 다수의 전자를 수용/제공할 수 있는 다가 재료이다. 실제 용량은 대략 2,509 mAh/㎤이다. 리튬 애노드와 쌍을 이룰 때, 이는 약 0.58 V의 출력 전압을 제공하였다(도 17). 10% DoD 내지 90% DoD 사이에서의 전압 변동은 ± 6.4%이다.M 13 (compound A y B z = MoS 2 ) is a multivalent material capable of accepting / providing multiple electrons during the redox reaction. The actual capacity is approximately 2,509 mAh / cm3. When paired with the lithium anode, this provided an output voltage of about 0.58 V (Figure 17). The voltage variation between 10% DoD and 90% DoD is ± 6.4%.

Figure pct00013
Figure pct00013

실시예 14: 별개의 작용화된 GO 시트 및 그래핀 폼의 제조 Example 14: Preparation of distinct functionalized GO sheet and graphene foam

평균 직경이 12 ㎛인 절단된 흑연 섬유 및 천연 흑연 입자를 출발 물질로서 별도로 사용하였고, 이를 진한 황산, 질산, 및 칼륨 퍼망가네이트(화학적 인터칼레이트 및 산화제로서)의 혼합물에 함침시켜 흑연 인터칼레이션 화합물(GIC)을 제조하였다. 출발 물질을 먼저 진공 오븐에서 80℃에서 24시간 동안 건조시켰다. 이후에, 진한 황산, 발연 질산, 및 칼륨 퍼망가네이트의 혼합물(4:1:0.05의 중량비)을 적절한 냉각 및 교반 하에서, 섬유 세그먼트를 함유한 3구 플라스크에 서서히 첨가하였다. 5시간 내지 16시간의 반응 후에, 산-처리된 흑연 섬유 또는 천연 흑연 입자를 여과하고, 용액의 pH 수준이 5에 도달할 때까지 탈이온수로 철저히 세척하였다. 100℃에서 밤새 건조 처리 후에, 얻어진 흑연 인터칼레이션 화합물(GIC) 또는 흑연 산화물 섬유를 물-알코올 중에 재-분산시켜 슬러리를 형성하였다.Cut graphite fibers and natural graphite particles having an average diameter of 12 탆 were separately used as a starting material and impregnated with a mixture of concentrated sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate (as chemical intercalate and oxidizing agent) (GIC) was prepared. The starting material was first dried in a vacuum oven at 80 < 0 > C for 24 hours. A mixture of concentrated sulfuric acid, fuming nitric acid, and potassium permanganate (4: 1: 0.05 weight ratio) was then slowly added to the three-necked flask containing the fiber segments under proper cooling and stirring. After 5 to 16 hours of reaction, the acid-treated graphite fibers or natural graphite particles were filtered and thoroughly washed with deionized water until the pH level of the solution reached 5. After drying treatment at 100 DEG C overnight, the obtained graphite intercalation compound (GIC) or graphite oxide fiber was re-dispersed in water-alcohol to form a slurry.

하나의 샘플에서, 5 그램의 흑연 산화물 섬유를, 15:85의 비를 갖는 알코올 및 증류수로 이루어진 2,000 ml 알코올 용액과 혼합하여 슬러리 덩어리를 수득하였다. 이후에, 혼합물 슬러리를 다양한 시간의 길이 동안에 200 W의 출력을 갖는 초음파 조사로 처리하였다. 20분의 초음파처리 후에, GO 섬유를 대략 23 중량% 내지 31 중량%의 산소 함량을 갖는 얇은 그래핀 산화물 시트로 효과적으로 박리시키고 분리하였다. 암모니아 수를 1 포트(pot)의 얻어진 현탁액에 첨가하고, 이를 1시간 더 초음파처리하여 NH2-작용화된 그래핀 산화물(f-GO)을 형성하였다. GO 시트 및 작용화된 GO 시트를 5%의 중량 분율까지 별도로 희석시키고, 요망되는 양의 SnO2 입자(저-전압 셀에서 캐소드 활물질의 일 예로서)를 현탁액에 첨가하였다. 후속하여, 발포제로서 2% 베이킹 소다를 GO/SnO2 또는 f-GO/SnO2 현탁액에 첨가하여 혼합물 슬러리를 형성하였다. 얻어진 슬러리를 2일 동안 어떠한 기계적 교란(mechanical disturbance)도 없이 용기에 정치시켰다.In one sample, 5 grams of graphite oxide fibers were mixed with a 2,000 ml alcohol solution consisting of alcohol having a ratio of 15:85 and distilled water to obtain a slurry mass. Thereafter, the slurry mixture was subjected to ultrasonic irradiation with an output of 200 W for various lengths of time. After 20 minutes of sonication, the GO fibers were effectively stripped and separated into a thin graphene oxide sheet having an oxygen content of approximately 23% to 31% by weight. Adding ammonia to the resulting suspension of the first port (pot), and by this, more ultrasound for 1 h NH 2 - to form a functionalized graphene oxide (f-GO). The GO sheet and functionalized GO sheet were separately diluted to a weight fraction of 5% and the desired amount of SnO 2 particles (as an example of a cathode active material in a low-voltage cell) was added to the suspension. Subsequently, 2% baking soda as a blowing agent was added to the GO / SnO 2 or f-GO / SnO 2 suspension to form a mixture slurry. The resulting slurry was allowed to settle in the vessel for 2 days without any mechanical disturbance.

이후에, GO/SnO2 또는 f-GO/SnO2를 함유한 얻어진 슬러리를 PET 필름 표면 상에 콤마-코팅하였다. 액체의 제거 후에, 얻어진 코팅 필름은 100 ㎛ 내지 800 ㎛인 두께를 갖는다. 필름을 이후에, (H2와 N2의 혼합물 중에서) 2시간 동안 500℃의 초기 열처리 온도를 포함하는 열처리로 처리하여 발포된 구조를 형성하였다. 이후에, 상이한 시편에 대해 (Ar 가스 대기 중에서) 800℃ 내지 1,200℃의 제2 온도에서 폼을 노출시켰다.Thereafter, the obtained slurry containing GO / SnO 2 or f-GO / SnO 2 was comma-coated on the surface of the PET film. After removal of the liquid, the resulting coating film has a thickness of 100 [mu] m to 800 [mu] m. After the film was formed a foamed structure by treatment with a heat treatment, including the initial heat treatment temperature of 500 ℃ for 2 hours (in a mixture of H 2 and N 2). Thereafter, the foams were exposed to different specimens (in an Ar gas atmosphere) at a second temperature of 800 ° C to 1200 ° C.

실시예 15: 메소탄소 마이크로비드(MCMB) 및 그래핀 폼으로부터 단일층 그래핀 시트의 제조 Example 15: Preparation of a single layer graphene sheet from meso carbon microbeads (MCMB) and graphene foam

메소탄소 마이크로비드(MCMB)는 China Steel Chemical Co.(Kaohsiung, Taiwan)로부터 공급되었다. 이러한 물질은 약 16 ㎛의 중간 입자 크기를 갖는 약 2.24 g/㎤의 밀도를 갖는다. MCMB(10 그램)를 48시간 내지 96시간 동안 산 용액(4:1:0.05 비의 황산, 질산, 및 칼륨 퍼망가네이트)으로 인터칼레이션시켰다. 반응의 완료 시에, 혼합물을 탈이온수 내에 붓고, 여과하였다. 인터칼레이션된 MCMB를 5% HCl 용액에서 반복적으로 세척하여 대부분의 설페이트 이온을 제거하였다. 이후에, 샘플을 여액의 pH가 4.5 이상일 때까지 탈이온수로 반복적으로 세척하였다. 이후에, 슬러리를 10분 내지 100분 동안 초음파처리하여 GO 현탁액을 생성하였다. TEM 및 원자력 현미경 연구는, 대부분의 GO 시트가 산화 처리가 72시간을 초과하였을 때 단일층 그래핀이었고, 산화 시간이 48시간 내지 72시간이었을 때 2- 또는 3-층 그래핀임을 나타낸다.Meso carbon microbeads (MCMB) were supplied by China Steel Chemical Co. (Kaohsiung, Taiwan). This material has a density of about 2.24 g / cm3 with a median particle size of about 16 microns. MCMB (10 grams) was intercalated with an acid solution (4: 1: 0.05 ratio of sulfuric acid, nitric acid, and potassium permanganate) for 48 hours to 96 hours. Upon completion of the reaction, the mixture was poured into deionized water and filtered. Intercalated MCMB was washed repeatedly in 5% HCl solution to remove most of the sulfate ions. Thereafter, the sample was repeatedly washed with deionized water until the pH of the filtrate was at least 4.5. Thereafter, the slurry was sonicated for 10 minutes to 100 minutes to produce a GO suspension. TEM and nuclear microscopy studies show that most GO sheets were single layer graphene when the oxidation treatment was over 72 hours and 2- or 3-layer graphene when the oxidation time was between 48 hours and 72 hours.

GO 시트는 48시간 내지 96시간의 산화 처리 시간 동안 대략 35 중량% 내지 47 중량%의 산소 비율을 함유한다. GO 시트를 수중에서 현탁하였다. 1 ㎛ 내지 6 ㎛의 직경을 갖는 MoO3 입자(캐소드 활물질의 다른 예)를 GO 현탁액에 첨가하였다. 화학적 발포제로서 베이킹 소다(5 중량% 내지 20 중량%)를 또한 캐스팅 직전에 현탁액에 첨가하였다. 이후에, 현탁액을 전단 응력을 가하기 위한 닥터 블레이드를 이용하여 유리 표면 상에서 캐스팅하여, GO 시트 배향을 유도하였다. 여러 샘플을 캐스팅하였으며, 일부는 발포제를 함유하였으며, 일부는 함유하지 않았다. 얻어진 GO 필름은, 액체의 제거 후에, 대략 10 ㎛ 내지 500 ㎛로 다양할 수 있는 두께를 갖는다.The GO sheet contains an oxygen ratio of approximately 35% to 47% by weight for an oxidation treatment time of 48 hours to 96 hours. The GO sheet was suspended in water. MoO 3 particles (another example of a cathode active material) having a diameter of 1 탆 to 6 탆 were added to the GO suspension. Baking soda (5% to 20% by weight) as a chemical blowing agent was also added to the suspension immediately before casting. Thereafter, the suspension was cast on a glass surface using a doctor blade to apply shear stress to induce GO sheet orientation. Several samples were cast, some containing blowing agent and some not. The resulting GO film has a thickness that can vary from approximately 10 [mu] m to 500 [mu] m after removal of the liquid.

발포제를 갖는 또는 없는, 여러 GO 필름 시트를 이후에, 1시간 내지 5시간 동안 80℃ 내지 500℃의 초기 (제1) 열적 환원 온도를 포함하는 열처리로 처리하였다. 이러한 제1 열처리는 그래핀 폼을 생성시켰다. 이후에, 폼을 4시간 동안 750℃ 내지 950℃의 제2 온도로 처리하였다.The various GO film sheets with or without blowing agent were then treated with a heat treatment comprising an initial (first) thermal reduction temperature of 80 ° C to 500 ° C for 1 to 5 hours. This first heat treatment produced a graphene foam. Thereafter, the foam was treated at a second temperature of 750 ° C to 950 ° C for 4 hours.

실시예 16: 초기 그래핀 필름 및 폼(0% 산소)의 제조 Example 16: Preparation of initial graphene film and foam (0% oxygen)

개개 그래핀 평면의 전도도를 감소시키기 위해 작용하는 GO 시트에서 높은 결함 집단의 가능성을 인식하여, 본 발명자는, 초기 그래핀 시트(비-산화된 및 산소-부재, 비-할로겐화된 및 할로겐-부재 등)의 사용이 더 높은 열전도도를 갖는 그래핀 폼을 야기시킬 수 있는 경우를 연구하기로 결정하였다. 직접 초음파처리 또는 액체상 생산 공정을 사용함으로써 초기 그래핀 시트를 생산하였다.Recognizing the possibility of a high defect population in the GO sheet acting to reduce the conductivity of individual graphene planes, the inventors have found that the initial graphene sheets (non-oxidized and oxygen-free, non-halogenated and halogen- Etc.) could lead to graphene foam with higher thermal conductivity. Early graphene sheets were produced by direct ultrasonic treatment or liquid phase production processes.

통상적인 절차에서, 크기가 대략 20 ㎛ 이하로 분쇄된 5 그램의 흑연 박편을 1,000 mL의 탈이온수(0.1 중량%의 분산제, 듀퐁(DuPont)의 Zonyl® FSO 함유)에 분산시켜 현탁액을 수득하였다. 85 W의 초음파 에너지 수준(브랜슨(Branson) S450 초음파기)이 15분 내지 2시간의 기간 동안 그래핀 시트의 박리, 분리, 및 크기 감소를 위해 사용되었다. 생성된 그래핀 시트는 전혀 산화되지 않으며 산소가 없고 상대적으로 결함이 없는 초기 그래핀이다. 초기 그래핀에는 본질적으로 임의의 비-탄소 원소가 없다.In a typical procedure, a suspension was obtained by dispersing 5 grams of graphite flakes milled to about 20 microns or less in size in 1,000 mL of deionized water (containing 0.1 wt% of a dispersant, Zonyl® FSO from DuPont). An ultrasonic energy level of 85 W (Branson S450 ultrasonic) was used for stripping, separation, and size reduction of the graphene sheet for a period of 15 minutes to 2 hours. The resulting graphene sheet is an initial graphene that is not oxidized at all and is free of oxygen and relatively defect free. The initial graphene has essentially no non-carbon elements.

다양한 양(그래핀 재료에 대해 0 중량% 내지 30 중량%)의 화학적 발포제(N,N-디니트로소 펜타메틸렌 테트라민 또는 4,4'-옥시비스(벤젠설포닐 히드라지드) 및 MoS2 입자(캐소드 활물질의 일 예로서)를 초기 그래핀 시트 및 계면활성제를 함유한 현탁액에 첨가하였다. 이후에, 현탁액을 PET 필름 표면 상에 슬롯 다이-코팅하였으며, 이는 그래핀 시트의 전단 응력-유도 배향을 포함한다. 얻어진 그래핀-Si 필름은, 액체의 제거 후에, 대략 100 ㎛ 내지 750 ㎛의 두께를 갖는다.(N, N-dinitrosopentamethylenetetramine or 4,4'-oxybis (benzenesulfonylhydrazide) and MoS 2 particles (0 to 30% by weight based on the graphene material) (As an example of a cathode active material) was added to the suspension containing the initial graphene sheet and the surfactant. The suspension was then slot-die-coated on the surface of the PET film, which resulted in a shear stress- The obtained graphen-Si film has a thickness of approximately 100 μm to 750 μm after removal of the liquid.

이후에, 그래핀 필름을 1시간 내지 5시간 동안 80℃ 내지 1,500℃의 초기 (제1) 온도를 포함하는 열처리로 처리하였으며, 이는 그래핀 필름(0% 발포제의 경우) 또는 폼 층(일부 발포제를 이용한 경우)을 생산하였다. 이후에, 초기 폼 샘플 중 일부를 700℃ 내지 2,500℃의 제2 온도에서 열처리하였다.Thereafter, the graphene film was treated with a heat treatment comprising an initial (first) temperature of 80 ° C to 1,500 ° C for 1 hour to 5 hours, which was followed by graphene film (in the case of 0% blowing agent) or foam layer Was used. Subsequently, some of the initial foam samples were heat treated at a second temperature of 700 ° C to 2,500 ° C.

실시예 17: 천연 흑연으로부터의 그래핀 산화물(GO) 현탁액의 제조 및 GO 폼의 후속 제조 Example 17: Preparation of graphene oxide (GO) suspension from natural graphite and subsequent manufacture of GO foam

30℃에서 4:1:0.05의 비의 흑연 박편을 황산, 나트륨 니트레이트, 및 칼륨 퍼망가네이트로 이루어진 산화제 액체로 산화시킴으로써 흑연 산화물을 제조하였다. 천연 흑연 박편(14 ㎛의 입자 크기)을 48시간 동안 산화제 혼합물 액체 중에 침지시키고 분산시켰을 때, 현탁액 또는 슬러리는 광학적으로 불투명하고 진한 것으로 보이고 잔류한다. 48시간 후에, 반응하는 덩어리를 물로 3회 세정하여 pH 값을 적어도 3.0으로 조정하였다. 이후에, 최종 양의 물을 첨가하여 GO-물 현탁액의 시리즈를 제조하였다. 본 발명자는, GO 시트가 3% 초과, 및 통상적으로 5% 내지 15%의 중량 분율을 차지할 때, GO 시트가 액정상을 형성한다는 것을 관찰하였다.The graphite oxide was prepared by oxidizing graphite flakes having a ratio of 4: 1: 0.05 at 30 DEG C to an oxidant liquid consisting of sulfuric acid, sodium nitrate, and potassium permanganate. When the natural graphite flakes (particle size of 14 mu m) are immersed and dispersed in the oxidant mixture liquid for 48 hours, the suspension or slurry appears optically opaque and dark and remains. After 48 hours, the reaction mass was washed three times with water to adjust the pH value to at least 3.0. A series of GO-water suspensions was then prepared by adding a final amount of water. The present inventors have observed that a GO sheet forms a liquid crystal phase when the GO sheet occupies a weight fraction of more than 3%, and typically 5% to 15%.

슬러리 코팅기에서 폴리에틸렌 테레프탈레이트(PET) 필름 상에 GO 현탁액(애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자를 함유함)을 분배하고 코팅하고, 코팅된 필름으로부터 액체 매질을 제거함으로써, 본 발명자는 건조된 그래핀 산화물의 얇은 필름을 수득하였다. 수 개의 GO 필름 샘플을 이후에, 통상적으로 1시간 내지 10시간 동안 100℃ 내지 500℃의 제1 온도에서의 열적 환원 처리, 및 0.5시간 내지 5시간 동안 750℃ 내지 1,500℃의 제2 온도에서의 열적 환원 처리를 포함하는, 상이한 열처리로 처리하고, 이후에, 제어된 냉각(cool-down) 절차로 처리하였다. 이러한 열처리와 함께, 또한, 압축 응력 하에서, GO 필름을 그래핀 폼으로 변형시켰다.By distributing and coating the GO suspension (containing particles of the anode active material or the cathode active material) on a polyethylene terephthalate (PET) film in a slurry coater and removing the liquid medium from the coated film, Of a thin film. Several GO film samples are then subjected to a thermal reduction treatment at a first temperature of from 100 DEG C to 500 DEG C for a time period of typically from 1 hour to 10 hours and a second step of thermal reduction treatment at a second temperature of from 750 DEG C to 1,500 DEG C for 0.5 to 5 hours Treated with different heat treatments, including a thermal reduction process, and then treated with a controlled cool-down procedure. Along with this heat treatment, and also under compressive stress, the GO film was transformed into graphene foam.

별도로, 화학적 환원제로서 특정 양의 하이드라진을 GO 현탁액(활물질 입자를 함유함)에 첨가하여 환원된 GO(RGO) 현탁액을 수득하였다. 이후에, RGO 현탁액을 널리 공지된 진공-보조 여과 절차로 처리하여 RGO 페이퍼를 형성하였다.Separately, a certain amount of hydrazine as a chemical reducing agent was added to the GO suspension (containing the active material particles) to obtain a reduced GO (RGO) suspension. Thereafter, the RGO suspension was treated with a well-known vacuum-assisted filtration procedure to form RGO paper.

실시예 18: 그래핀 불화물로부터의 그래핀 폼(애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자를 함유함)의 제조 Example 18: Preparation of graphene foam (containing particles of an anode active material or a cathode active material) from graphene fluoride

여러 공정은 GF를 생산하기 위해 본 발명자에 의해 이용되었지만, 본원에서 일 예로서 단지 하나의 공정이 기술된다. 통상적인 절차에서, 고도로 박리된 흑연(HEG)을 인터칼레이션된 화합물 C2xClF3으로부터 제조하였다. HEG를 염소 트리플루오라이드의 증기에 의해 추가로 불소화하여 불소화된 고도로 박리된 흑연(FHEG)을 수득하였다. 사전냉각된 테플론 반응기를 20 mL 내지 30 mL의 액체 사전냉각된 ClF3으로 채워지고, 반응기를 닫고, 액체 질소 온도까지 냉각시켰다. 이후에, 1 g 이하의 HEG를 ClF3 가스를 진입시키기 위한 홀(hole)을 갖는 용기에 넣고, 반응기 내측에 위치시켰다. 7일 내지 10일에, 대략 화학식 C2F를 갖는 회색-베이지색 생성물을 형성하였다.Although several processes have been used by the present inventors to produce GF, only one process is described herein as an example. In a conventional procedure, highly peeled graphite (HEG) was prepared from the intercalated compound C 2 F x ClF 3 . The HEG was further fluorinated by the vapor of chlorine trifluoride to obtain fluorinated highly peeled graphite (FHEG). The precooled Teflon reactor was filled with 20 mL to 30 mL of liquid precooled ClF 3 , the reactor was closed and cooled to liquid nitrogen temperature. Thereafter, HEG of 1 g or less was placed in a container having a hole for introducing ClF 3 gas, and placed inside the reactor. 7 to 10 days, a gray-beige product having the formula C 2 F was formed.

후속하여, 소량의 FHEG(대략 0.5 mg)를 20 mL 내지 30 mL의 유기 용매(메탄올, 에탄올, 1-프로판올, 2-프로판올, 1-부탄올, 3차-부탄올, 이소아밀 알코올)과 혼합하고, 30분 동안 초음파 처리(280 W)로 처리하여, 균질한 황색 분산액을 형성하였다. 5분의 초음파처리는 비교적 균질한 분산액을 수득하기에 충분하였지만, 더 긴 초음파 처리 시간은 보다 양호한 안정성을 보장하였다. 이후에, 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자를 분산액에 첨가하였다. 용매를 제거하면서 유리 표면 상에서 캐스팅 시에, 분산액은 유리 표면 상에 형성된 갈색 필름이 되었다. GF 필름을 열처리하였을 때, 필름에서 공극을 생성시키는 데 도움을 준 불소를 가스로서 방출하였다. 일부 샘플에서, 물리적 발포제(N2 가스)를 캐스팅하면서 습윤 GF 필름 내에 주입하였다. 이러한 샘플은 훨씬 더 높은 공극 부피 또는 더 낮은 폼 밀도를 나타낸다. 발포제를 사용하지 않고, 얻어진 그래핀 불화물 폼은 0.35 g/㎤ 내지 1.38 g/㎤의 물리적 밀도를 나타낸다. 발포제가 사용될 때(0.5/1 내지 0.05/1의 발포제/GF 중량 비율), 0.02 g/㎤ 내지 0.35 g/㎤의 밀도가 얻어졌다. 통상적인 불소 함량은 관련된 최종 열처리 온도에 따라, 0.001%(HTT = 2,500℃) 내지 4.7%(HTT = 350℃)이었다.Subsequently, a small amount of FHEG (approximately 0.5 mg) was mixed with 20 mL to 30 mL of an organic solvent (methanol, ethanol, 1-propanol, 2-propanol, 1-butanol, tert-butanol, isoamyl alcohol) Treated with ultrasound (280 W) for 30 minutes to form a homogeneous yellow dispersion. The 5 minute sonication was sufficient to obtain a relatively homogeneous dispersion, but a longer sonication time ensured better stability. Thereafter, particles of the anode active material or the cathode active material were added to the dispersion. Upon casting on a glass surface while removing the solvent, the dispersion became a brown film formed on the glass surface. When the GF film was heat treated, fluorine released as a gas, which helped to create voids in the film. In some samples, a physical blowing agent (N 2 gas) was injected into the wet GF film while casting. These samples exhibit much higher void volume or lower foam density. Without using a blowing agent, the resulting graphene fluoride foam exhibits a physical density of 0.35 g / cm3 to 1.38 g / cm3. When a foaming agent is used (foaming agent / GF weight ratio of 0.5 / 1 to 0.05 / 1), a density of 0.02 g / cm 3 to 0.35 g / cm 3 is obtained. Typical fluorine content was 0.001% (HTT = 2,500 ° C) to 4.7% (HTT = 350 ° C), depending on the final heat treatment temperature involved.

실시예 19: 질화된 그래핀으로부터의 그래핀 폼(애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자를 함유함)의 제조 Example 19: Preparation of graphene foam (containing particles of an anode active material or a cathode active material) from nitrided graphene

실시예 2에서 합성된 그래핀 산화물(GO)을 상이한 비율의 우레아와 함깨 미분하였고, 펠렛화된 혼합물을 마이크로파 반응기(900 W)에서 30초 동안 가열하였다. 생성물을 탈이온수로 여러 차례 세척하고, 진공 건조하였다. 이러한 방법에서, 그래핀 산화물은 동시에 환원되고 질소로 도핑된다. 1:0.5, 1:1 및 1:2의 그래핀:우레아 질량비로 얻어진 생성물은 각각 NGO-1, NGO-2 및 NGO-3으로 지정되었으며, 이러한 샘플의 질소 함량은 원소 분석에 의해 확인된 바와 같이 각각 14.7 중량%, 18.2 중량% 및 17.5 중량%이었다. 이러한 질화된 그래핀 시트는 수중에 분산 가능하게 잔류한다. 이후에, 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질의 입자를 분산액에 첨가하였다. 얻어진 현탁액을 이후에, 캐스팅하고, 건조시키고, 초기에 제1 열처리 온도로서 200℃ 내지 350℃에서 열처리하고, 후속하여, 1,500℃의 제2 온도에서 열처리하였다. 얻어진 질화된 그래핀 폼은 0.45 g/㎤ 내지 1.28 g/㎤의 물리적 밀도를 나타낸다. 폼의 통상적인 질소 함량은 수반되는 최종 열처리 온도에 따라, 0.01%(HTT = 1,500℃) 내지 5.3%(HTT = 350℃)이다.The graphene oxide (GO) synthesized in Example 2 was finely divided with different proportions of urea, and the pelletized mixture was heated in a microwave reactor (900 W) for 30 seconds. The product was washed several times with deionized water and vacuum dried. In this way, the graphene oxide is simultaneously reduced and doped with nitrogen. The products obtained at the graphene: urea mass ratio of 1: 0.5, 1: 1 and 1: 2 were designated as NGO-1, NGO-2 and NGO-3, respectively, and the nitrogen content of these samples, as confirmed by elemental analysis 14.7 wt%, 18.2 wt% and 17.5 wt%, respectively. Such nitrided graphene sheets remain dispersible in water. Thereafter, particles of the anode active material or the cathode active material were added to the dispersion. The suspension obtained was then cast, dried, and initially heat treated at a temperature of from 200 캜 to 350 캜 as a first heat treatment temperature, followed by heat treatment at a second temperature of 1,500 캜. The nitrided graphene foam obtained exhibits a physical density of 0.45 g / cm3 to 1.28 g / cm3. The typical nitrogen content of the foam is 0.01% (HTT = 1,500 ° C) to 5.3% (HTT = 350 ° C), depending on the final heat treatment temperature involved.

실시예 20: 다양한 그래핀 폼 및 통상적인 흑연 폼의 특징분석 Example 20: Characterization of various graphene foams and conventional graphite foams

여러 건조된 GO 층, 및 상이한 열처리 스테이지에서의 열처리된 필름의 내부 구조(결정 구조 및 배향)를 X-선 회절을 이용하여 조사하였다. 천연 흑연의 X-선 회절 곡선은 통상적으로 대략 2θ = 26°에서 피크를 나타내고, 이는 대략 0.3345 nm의 그래핀간 간격(d002)에 해당한다. 산화 시에, 얻어진 GO는 대략 2θ = 12°에서 X-선 회절 피크를 나타내고, 이는 대략 0.7 nm의 그래핀간 간격(d002)에 해당한다. 150℃에서의 일부 열처리와 관련하여, 건조된 GO 컴팩트는 22°에 중심을 둔 험프(hump)의 형성을 나타내는데, 이는 화학적 연결 및 정렬 공정의 개시로 인해 그래핀간 간격을 감소시키는 공정을 개시하였음을 지시한다. 1시간 동안 2,500℃의 열처리 온도에 대하여, d002 간격은 흑연 단결정의 0.3354 nm에 가까운, 대략 0.336 nm로 감소하였다.The internal structure (crystal structure and orientation) of the heat-treated films on several dried GO layers and different heat treatment stages was investigated using X-ray diffraction. The X-ray diffraction curve of natural graphite typically shows a peak at approximately 2? = 26 °, which corresponds to a graphene spacing (d 002 ) of approximately 0.3345 nm. Upon oxidation, the GO obtained shows an X-ray diffraction peak at approximately 2? = 12 °, which corresponds to a graphene spacing (d 002 ) of approximately 0.7 nm. With respect to some heat treatments at 150 ° C, the dried GO compacts show the formation of a hump centered at 22 °, which discloses a process for reducing the intergranular spacing due to the initiation of chemical bonding and alignment processes . For a heat treatment temperature of 2,500 ° C for 1 hour, the d 002 spacing decreased to approximately 0.336 nm, close to 0.3354 nm for graphite single crystals.

1시간 동안 2,750℃의 열처리 온도에 대하여, d002 간격은 대략 0.3354 nm까지 감소되며, 이는 흑연 단결정과 동일하다. 또한, 높은 세기를 갖는 제2 회절 피크는 2θ = 55°에서 나타나고, 이는 (004) 면으로부터 X-선 회절에 해당한다. 동일한 회절 곡선 상에서 (002) 세기에 대한 (004) 피크 세기, 또는 I(004)/I(002) 비율은 그래핀 평면의 결정 완전화 정도 및 바람직한 배향의 양호한 지표이다. (004) 피크는 2,800℃ 미만의 온도에서 열처리된 모든 흑연 물질에 대하여, 0.1 미만의 I(004)/I(002) 비율을 갖는 것으로, 존재하지 않거나 비교적 약하다. 3,000℃ 내지 3,250℃에서 열처리된 흑연 물질(예를 들어, 고도로 배향된 열분해 흑연, HOPG)에 대한 I(004)/I(002) 비율은 0.2 내지 0.5의 범위이다. 대조적으로, 1시간 동안 2,750℃의 최종 HTT로 제조된 그래핀 폼은 0.78의 I(004)/I(002) 비율 및 0.21의 모자이크 확산 값을 나타내며, 이는 바람직한 배향의 양호한 정도를 갖는 실제적으로 완전한 그래핀 단결정을 지시하는 것이다.For a heat treatment temperature of 2,750 ° C for one hour, the d 002 interval is reduced to approximately 0.3354 nm, which is the same as graphite single crystal. Also, the second diffraction peak with high intensity appears at 2? = 55 °, which corresponds to X-ray diffraction from the (004) plane. The (004) peak intensity, or the I (004) / I (002) ratio for the (002) intensity on the same diffraction curve is a good indicator of the degree of crystallization completeness of the graphene plane and the desired orientation. (004) peak is absent or relatively weak, with an I (004) / I (002) ratio of less than 0.1, for all graphite materials heat treated at a temperature of less than 2,800 ° C. I (004) / I (002) ratios for graphite materials (e.g., highly oriented pyrolytic graphite, HOPG) heat treated at 3,000 ° C to 3,250 ° C range from 0.2 to 0.5. In contrast, graphene foam produced with a final HTT of 2,750 캜 for one hour exhibited a ratio of I (004) / I (002) of 0.78 and a mosaic diffusion value of 0.21, which is practically complete with a good degree of preferred orientation Indicates graphene single crystals.

"모자이크 확산" 값은 X-선 회절 강도 곡선에서 (002) 반사의 최대 반값 폭으로부터 얻어진다. 정렬 정도에 대한 이러한 지수는 흑연 또는 그래핀 결정 크기(또는 그레인 크기), 결정립계 및 다른 결함의 양, 및 바람직한 그레인 배향의 정도를 특징으로 한다. 흑연의 거의 완전한 단결정은 0.2 내지 0.4의 모자이크 확산 값을 가짐으로써 특징화된다. 본 발명의 그래핀 폼 일부는 2,500℃ 이상의 최종 열처리 온도를 사용하여 생성될 때, 0.2 내지 0.4의 이러한 범위에서 모자이크 확산 값을 갖는다.The "mosaic diffusion" value is obtained from the maximum half width of the (002) reflection in the X-ray diffraction intensity curve. This index for the degree of alignment is characterized by the amount of graphite or graphene crystal size (or grain size), grain size and other defects, and the degree of desired grain orientation. Almost complete single crystals of graphite are characterized by having a mosaic diffusion value of 0.2 to 0.4. Part of the graphene foam of the present invention has a mosaic diffusion value in this range of from 0.2 to 0.4 when produced using a final heat treatment temperature of at least 2,500 占 폚.

500℃ 정도 낮은 열처리 온도가 공극 벽을 따라 GO 시트에서의 평균 그래핀간 간격이 0.4 nm 미만이 되는 데 충분하여, 천연 흑연 또는 흑연 단결정에 점점 더 가까워진다는 것이 중요하다. 이러한 방법의 장점은 이러한 GO 현탁액 전략이 본래 상이한 흑연 입자 또는 그래핀 시트로부터의 평면 그래핀 산화물 분자를 단일화된 구조로 재-조직화하고, 재-배향되고, 화학적으로 병합할 수 있으며, 모든 그래핀 평면은 측면 치수에서 더 크다(본래 흑연 입자에서 그래핀 평면의 길이 및 폭보다 상당히 더 크다)는 개념이다. 가능한 화학적 연결 메커니즘은 도 4에 예시되어 있다. 이는 예외적인 구조적 무결정, 가요성, 높은 열전도도 및 높은 전기전도도 값을 제공하여, 그래핀 폼 또는 필름 층(그 안에 임베딩된 애노드 활물질 또는 캐소드 활물질을 함유함)이 또한 집전체로서 기능할 수 있게 한다. 이는 별도의 (추가적인) 애노드 집전체 및 캐소드 집전체를 가질 필요가 없다.It is important that a heat treatment temperature as low as 500 DEG C is sufficient to allow the average graphene spacing in the GO sheet along the air gap wall to be less than 0.4 nm and to be closer to natural graphite or graphite single crystals. An advantage of this method is that such a GO suspension strategy can re-organize, re-orient, and chemically incorporate planar graphene oxide molecules from differently different graphite particles or graphene sheets into a unified structure, The plane is larger in the side dimension (essentially larger than the length and width of the graphene plane in the original graphite particle). A possible chemical linking mechanism is illustrated in Fig. This provides exceptional structural uncertainty, flexibility, high thermal conductivity and high electrical conductivity values, so that a graphene foam or film layer (containing an anode active material or a cathode active material embedded therein) can also function as a current collector Let's do it. It is not necessary to have separate (additional) anode current collectors and cathode current collectors.

Claims (24)

주 애노드 활물질을 갖는 애노드, 주 캐소드 활물질을 갖는 캐소드, 및 상기 애노드 및 상기 캐소드와 이온 접촉하는 이온-전도 전해질을 포함하는 전기화학 배터리 셀로서,
상기 셀이 10% 방전 심도(DoD)에서 측정하는 경우의 0.3 볼트의 하한치 내지 0.8 볼트의 상한치의 초기 출력 전압(Vi), 및 90% 이하의 DoD에서 측정하는 경우의 최종 출력 전압(Vf)을 가지며,
전압 변동 ((Vi-Vf)/Vi)이 ± 10% 이하이며,
Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량이 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이며,
상기 주 애노드 활물질이 리튬(Li), 나트륨(Na), 칼륨(K), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택되며,
상기 주 캐소드 활물질이 금속 산화물, 금속 인산화물, 금속 황화물, 또는 상기 주 애노드 활물질과는 다른 금속 또는 반금속으로부터 선택되며,
상기 캐소드에서 상기 금속 또는 반금속이 주석(Sn), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 인듐(In), 텔루륨(Te), 인(P), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 셀레늄(Se), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
An electrochemical battery cell comprising an anode having a primary anode active material, a cathode having a primary cathode active material, and an ion-conducting electrolyte in ionic contact with the anode and the cathode,
The initial output voltage Vi of the lower limit of 0.3 volts to the upper limit of 0.8 volts when the cell is measured at a 10% discharge depth (DoD), and the final output voltage Vf when measured at DoD of 90% And,
The voltage fluctuation ((Vi-Vf) / Vi) is ± 10% or less,
The amount of charge between Vi and Vf is 100 mAh / g or 200 mAh / cm3 or more based on the weight or volume of the cathode active material,
Wherein the main anode active material is selected from the group consisting of lithium, sodium, potassium, magnesium, aluminum, zinc, titanium, manganese, iron, Vanadium (V), cobalt (Co), nickel (Ni), mixtures thereof, alloys thereof, or combinations thereof,
Wherein the main cathode active material is selected from metal oxides, metal phosphates, metal sulfides, or metals or semi-metals different from the main anode active material,
In the cathode, the metal or semimetal is selected from the group consisting of Sn, Bi, Sb, In, Tell, P, Mg, Al, (Zn), titanium (Ti), manganese (Mn), iron (Fe), vanadium (V), cobalt (Co), nickel (Ni), selenium ≪ / RTI >
제1항에 있어서,
상기 애노드가 보호 재료로서 그래핀을 추가로 함유하는, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the anode further comprises graphene as a protective material.
제2항에 있어서,
상기 주 애노드 활물질이 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된, 전기화학 배터리 셀.
3. The method of claim 2,
Wherein the primary anode active material is contained in a graphene sheet or embedded in a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.
제2항에 있어서,
상기 그래핀이 0.01 중량% 미만의 비-탄소 원소를 갖는 초기 그래핀 재료 또는 0.01 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소를 갖는 비-초기 그래핀 재료를 함유하며,
상기 비-초기 그래핀이 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
3. The method of claim 2,
Wherein said graphene comprises an initial graphene material having less than 0.01 weight percent non-carbon element or a non-initial graphene material having between 0.01 weight percent and 50 weight percent non-carbon element,
Wherein said non-initial graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, boron- Pin, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof.
제1항에 있어서,
상기 주 캐소드 활물질이 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the primary cathode active material is contained in a graphene sheet or embedded in a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.
제3항에 있어서,
상기 주 캐소드 활물질이 그래핀 시트에 의해 수용되거나, 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼에 임베딩된, 전기화학 배터리 셀.
The method of claim 3,
Wherein the primary cathode active material is contained in a graphene sheet or embedded in a graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.
제3항에 있어서,
상기 임베딩된 상기 주 애노드 활물질을 갖고 상기 애노드에서의 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼이 애노드 집전체로서 기능하기 위해 제1 배터리 단자 탭에 연결되며, 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 애노드 집전체가 존재하지 않는, 전기화학 배터리 셀.
The method of claim 3,
Wherein the graphene film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam at the anode having the embedded main anode active material is connected to a first battery terminal tab to function as an anode current collector, There is no separate or additional anode current collector for supporting the film, graphene paper, graphene mat, or graphene foam.
제5항에 있어서,
상기 임베딩된 상기 주 캐소드 활물질을 갖고 상기 캐소드에서의 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼이 캐소드 집전체로서 기능하기 위해 배터리 단자 탭에 연결되며, 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 캐소드 집전체가 존재하지 않는, 전기화학 배터리 셀.
6. The method of claim 5,
The graphene film, the graphene paper, the graphene mat, or the graphene foam at the cathode having the embedded main cathode active material is connected to the battery terminal tab to function as a cathode current collector, There is no separate or additional cathode current collector for supporting graphene paper, graphene mat, or graphene foam.
제7항에 있어서,
상기 임베딩된 상기 주 캐소드 활물질을 갖고 상기 캐소드에서의 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼이 제2 배터리 단자 탭에 연결되며, 상기 캐소드에서 상기 그래핀 필름, 그래핀 페이퍼, 그래핀 매트, 또는 그래핀 폼을 지지하기 위한 별도의 또는 추가적인 캐소드 집전체가 존재하지 않는, 전기화학 배터리 셀.
8. The method of claim 7,
The graphene film, the graphene paper, the graphene mat, or the graphene foam at the cathode having the embedded main cathode active material is connected to the second battery terminal tab, and the graphene film, There is no separate or additional cathode current collector for supporting paper, graphene mat, or graphene foam.
제1항에 있어서,
상기 애노드를 지지하는 애노드 집전체 또는 상기 캐소드를 지지하는 캐소드 집전체를 추가로 포함하는, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Further comprising an anode current collector for supporting the anode or a cathode current collector for supporting the cathode.
제1항에 있어서,
Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량이 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 200 mAh/g 또는 400 mAh/㎤ 이상인, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein an amount of charge between Vi and Vf is 200 mAh / g or 400 mAh / cm < 3 > or more based on the weight or volume of the cathode active material.
제1항에 있어서,
Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량이 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 400 mAh/g 또는 800 mAh/㎤ 이상인, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein a cost amount between Vi and Vf is 400 mAh / g or 800 mAh / cm3 or more based on the weight or volume of the cathode active material.
제1항에 있어서,
Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량이 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 1,000 mAh/g 또는 2,000 mAh/㎤ 이상인, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein a cost amount between Vi and Vf is at least 1,000 mAh / g or at least 2,000 mAh / cm3 based on the weight or volume of the cathode active material.
제1항에 있어서,
상기 주 애노드 활물질이 Mg 또는 Al이며,
상기 주 캐소드 활물질이 그래핀 표면에 결합된 황(S), S와 Se의 혼합물, 또는 황이며,
상기 전해질이 수성, 유기, 폴리머, 또는 고체 상태 전해질로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the main anode active material is Mg or Al,
The main cathode active material is sulfur (S) bonded to the graphene surface, a mixture of S and Se, or sulfur,
Wherein the electrolyte is selected from aqueous, organic, polymeric, or solid state electrolytes.
제1항에 있어서,
상기 금속 산화물, 금속 인산화물, 또는 금속 황화물이 주석 산화물, 코발트 산화물, 니켈 산화물, 망간 산화물, 바나듐 산화물, 철 인산화물, 망간 인산화물, 바나듐 인산화물, 전이금속 황화물, 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the metal oxide, metal phosphate or metal sulfide is selected from tin oxide, cobalt oxide, nickel oxide, manganese oxide, vanadium oxide, iron phosphate, manganese phosphate, vanadium phosphate, transition metal sulfide, Electrochemical battery cell.
주 애노드 활물질을 갖는 애노드, 주 캐소드 활물질을 갖는 캐소드, 및 상기 애노드 및 상기 캐소드와 이온 접촉하는 이온-전도 전해질을 포함하는 전기화학 배터리 셀로서,
상기 셀이 10% 방전 심도(DoD)에서 측정하는 경우의 0.3 볼트의 하한치 내지 0.8 볼트의 상한치의 초기 출력 전압(Vi), 및 90% 이하의 DoD에서 측정하는 경우의 최종 출력 전압(Vf)을 가지며,
전압 변동((Vi-Vf)/Vi)이 ± 10% 이하이며,
Vi 내지 Vf 사이에서의 비용량이 캐소드 활물질 중량 또는 부피를 기준으로 하여, 100 mAh/g 또는 200 mAh/㎤ 이상이며,
상기 주 애노드 활물질이 마그네슘(Mg) 또는 알루미늄(Al), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택되며,
상기 주 캐소드 활물질이 금속 산화물, 금속 인산화물, 금속 황화물, 무기 재료, 또는 상기 주 애노드 활물질과는 다른 금속 또는 반금속으로부터 선택되며,
상기 캐소드에서의 상기 금속 또는 반금속이 주석(Sn), 비스무트(Bi), 안티몬(Sb), 인듐(In), 텔루륨(Te), 인(P), 마그네슘(Mg), 알루미늄(Al), 아연(Zn), 티탄(Ti), 망간(Mn), 철(Fe), 바나듐(V), 코발트(Co), 니켈(Ni), 황(S), 셀레늄(Se), 이들의 혼합물, 이들의 합금, 또는 이들의 조합으로부터 선택되며,
상기 전해질이 이온성 전해질을 포함하지 않는, 수성, 유기, 폴리머, 또는 고체 상태 전해질로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
An electrochemical battery cell comprising an anode having a primary anode active material, a cathode having a primary cathode active material, and an ion-conducting electrolyte in ionic contact with the anode and the cathode,
The initial output voltage Vi of the lower limit of 0.3 volts to the upper limit of 0.8 volts when the cell is measured at a 10% discharge depth (DoD), and the final output voltage Vf when measured at DoD of 90% And,
The voltage fluctuation ((Vi-Vf) / Vi) is ± 10% or less,
The amount of charge between Vi and Vf is 100 mAh / g or 200 mAh / cm3 or more based on the weight or volume of the cathode active material,
Wherein the main anode active material is selected from magnesium (Mg) or aluminum (Al), a mixture thereof, an alloy thereof, or a combination thereof,
Wherein the main cathode active material is selected from metal oxides, metal phosphates, metal sulfides, inorganic materials, or metals or semi-metals different from the main anode active material,
Wherein the metal or semimetal in the cathode is selected from the group consisting of Sn, Bi, Sb, In, Tell, P, Mg, Zinc, zinc, tin, manganese, iron, vanadium, cobalt, nickel, sulfur, selenium, An alloy thereof, or a combination thereof,
Wherein the electrolyte is selected from an aqueous, organic, polymeric, or solid state electrolyte that does not comprise an ionic electrolyte.
제16항에 있어서,
상기 무기 재료가 탄소 황, 황 화합물, 리튬 폴리설파이드, 전이금속 디칼코게나이드(dichalcogenide), 전이금속 트리칼코게나이드(trichalcogenide), 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
17. The method of claim 16,
Wherein the inorganic material is selected from carbon sulfur, a sulfur compound, a lithium polysulfide, a transition metal dichalcogenide, a transition metal trichalcogenide, or a combination thereof.
제1항에 있어서,
상기 캐소드가 상기 주 캐소드 활물질에 대한 전기화학적 성질 변경제로서 그래핀을 추가로 함유하며,
상기 그래핀이 셀 비용량을 증가시키거나 셀 출력 전압을 증가시키거나 감소시키는, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
Wherein the cathode further contains graphene as an electrochemical property modifier for the primary cathode active material,
Wherein the graphene increases cell capacitance or increases or decreases the cell output voltage.
제16항에 있어서,
상기 캐소드가 상기 주 캐소드 활물질에 대한 전기화학적 성질 변경제로서 그래핀을 추가로 함유하며,
상기 그래핀이 셀 비용량을 증가시키거나 셀 출력 전압을 증가시키거나 감소시키는, 전기화학 배터리 셀.
17. The method of claim 16,
Wherein the cathode further contains graphene as an electrochemical property modifier for the primary cathode active material,
Wherein the graphene increases cell capacitance or increases or decreases the cell output voltage.
제18항에 있어서,
상기 주 캐소드 활물질이 상기 그래핀의 표면에 결합되거나 상기 그래핀의 표면에 의해 물리적으로 지지되는, 전기화학 배터리 셀.
19. The method of claim 18,
Wherein the primary cathode active material is bonded to the surface of the graphene or physically supported by the surface of the graphene.
제18항에 있어서,
상기 그래핀이 0.01 중량% 미만의 비-탄소 원소를 갖는 초기 그래핀 재료, 또는 0.01 중량% 내지 50 중량%의 비-탄소 원소를 갖는 비-초기 그래핀 재료를 함유하며,
상기 비-초기 그래핀이 그래핀 산화물, 환원된 그래핀 산화물, 그래핀 불화물, 그래핀 염화물, 그래핀 브롬화물, 그래핀 요오드화물, 수소화된 그래핀, 질화된 그래핀, 붕소-도핑된 그래핀, 질소-도핑된 그래핀, 화학적으로 작용화된 그래핀, 또는 이들의 조합으로부터 선택된, 전기화학 배터리 셀.
19. The method of claim 18,
Wherein said graphene comprises an initial graphene material having less than 0.01 weight percent non-carbon element, or a non-initial graphene material having between 0.01 weight percent and 50 weight percent non-carbon element,
Wherein said non-initial graphene is selected from the group consisting of graphene oxide, reduced graphene oxide, graphene fluoride, graphene chloride, graphene bromide, graphene iodide, hydrogenated graphene, nitrided graphene, boron- Pin, nitrogen-doped graphene, chemically functionalized graphene, or combinations thereof.
제1항에 있어서,
전압 변동((Vi-Vf)/Vi)이 ± 5% 이하인, 전기화학 배터리 셀.
The method according to claim 1,
An electrochemical battery cell in which the voltage fluctuation ((Vi-Vf) / Vi) is not more than +/- 5%.
전력원으로서 제1항의 전기화학 배터리 셀을 포함한 전자 장치.An electronic device comprising the electrochemical battery cell of claim 1 as a power source. 제23항에 있어서,
상기 전기화학 배터리 셀에 전자적으로 연결된 센서, 구동기, 무선 장치, 웨어러블 장치, 또는 의료 장치를 포함하는, 전자 장치.
24. The method of claim 23,
A sensor, a driver, a wireless device, a wearable device, or a medical device electronically coupled to the electrochemical battery cell.
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* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US10868304B2 (en) * 2016-10-19 2020-12-15 Global Graphene Group, Inc. Battery having a low output voltage
US11515540B2 (en) * 2018-04-09 2022-11-29 Global Graphene Group, Inc. Alkali metal-selenium secondary battery containing a graphene foam-protected selenium cathode
CN108598498B (en) * 2018-05-08 2020-09-29 沈阳建筑大学 Graphite felt electrode modified by nitrogen-doped reduced graphene oxide and preparation method thereof
WO2019241531A1 (en) * 2018-06-14 2019-12-19 Research Foundation Of The City University Of New York A high-voltage ion-mediated flow/flow-assist manganese dioxide - zinc battery
RU2706015C1 (en) * 2019-02-08 2019-11-13 Андрей Валерьевич Чеглаков Primary chemical current source based on graphene
US11600855B2 (en) 2020-11-25 2023-03-07 Samsung Electronics Co., Ltd. Solid-state electrolyte, solid-state battery including the electrolyte, and method of making the same
US11283070B1 (en) * 2021-04-22 2022-03-22 Massachusetts Instilute of Technology Aluminum-chalcogen batteries with alkali halide molten salt electrolytes

Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5730272A (en) * 1980-07-10 1982-02-18 Varta Batterie Galvanic solid electrolyte battery
KR20160115912A (en) * 2013-12-03 2016-10-06 아이오닉 머터리얼스, 인코퍼레이션 Solid, ionically conducting polymer material, and applications

Family Cites Families (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US4258109A (en) * 1977-04-25 1981-03-24 Duracell International Inc. Solid state cells
US5413881A (en) * 1993-01-04 1995-05-09 Clark University Aluminum and sulfur electrochemical batteries and cells
US7071258B1 (en) 2002-10-21 2006-07-04 Nanotek Instruments, Inc. Nano-scaled graphene plates
US20050271574A1 (en) 2004-06-03 2005-12-08 Jang Bor Z Process for producing nano-scaled graphene plates
US20080048152A1 (en) 2006-08-25 2008-02-28 Jang Bor Z Process for producing nano-scaled platelets and nanocompsites
WO2008059413A1 (en) 2006-11-14 2008-05-22 Koninklijke Philips Electronics N.V. Electrochemical energy source with a cathodic electrode comprising at least one non-oxidic active species and electric device comprising such an electrochemical energy source
US9742001B2 (en) * 2014-08-07 2017-08-22 Nanotek Instruments, Inc. Graphene foam-protected anode active materials for lithium batteries
CA2970716A1 (en) * 2014-12-12 2016-06-16 Pellion Technologies, Inc. Electrochemical cell and method of making the same
US10868304B2 (en) * 2016-10-19 2020-12-15 Global Graphene Group, Inc. Battery having a low output voltage

Patent Citations (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JPS5730272A (en) * 1980-07-10 1982-02-18 Varta Batterie Galvanic solid electrolyte battery
US4362793A (en) * 1980-07-10 1982-12-07 Varta Batterie Aktiengesellschaft Galvanic cell with solid electrolyte
KR20160115912A (en) * 2013-12-03 2016-10-06 아이오닉 머터리얼스, 인코퍼레이션 Solid, ionically conducting polymer material, and applications

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